王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205）

多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205）

基于邁克耳孫干涉儀，利用自動(dòng)圖像處理技術(shù)及零件移動(dòng)距離光學(xué)測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能夠測(cè)量光源波長(zhǎng)、光學(xué)球面半徑、檢測(cè)光學(xué)面形.

干涉；光源波長(zhǎng)；球面半徑；光學(xué)面形檢測(cè)

1 引 言

干涉是物理光學(xué)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器有楊氏雙縫干涉、牛頓環(huán)干涉、邁克耳孫干涉、平面（球面）干涉儀等實(shí)驗(yàn)裝置.楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置主要是進(jìn)行分波面雙光束干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)；牛頓環(huán)干涉、邁克耳孫干涉、平面（球面）干涉實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是進(jìn)行分振幅干涉實(shí)驗(yàn).以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備除平面（球面）干涉設(shè)備外，其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一，實(shí)驗(yàn)以定性為主，難以開展與工程實(shí)踐相一致的一定精度的測(cè)量實(shí)驗(yàn).平面（球面）干涉實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，一般學(xué)校很難配備.筆者基于有關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，構(gòu)建基于邁克耳孫干涉儀基礎(chǔ)上的多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，并分析其具備的實(shí)驗(yàn)功能及實(shí)驗(yàn)原理.

2 實(shí)驗(yàn)裝置整體構(gòu)建

2.1 裝置構(gòu)建基礎(chǔ)及有關(guān)思路

將邁克耳孫干涉儀平臺(tái)上的1塊平面鏡用大曲率半徑凹面鏡替換，如圖1所示，用激光經(jīng)擴(kuò)束作為光源能觀察到圓環(huán)狀條紋，用白光光源做干涉實(shí)驗(yàn)，最終能夠觀察到與牛頓環(huán)類似的彩色條紋現(xiàn)象［1］.同時(shí)，在進(jìn)行面陣CCD圖像采集與處理實(shí)驗(yàn)過程中，能利用圖像處理軟件進(jìn)行測(cè)量［2］.

基于以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及有關(guān)光學(xué)儀器功能分析，構(gòu)建多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置除涵蓋傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)功能外，還具備球面半徑測(cè)量、光學(xué)面形檢測(cè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)功能，且測(cè)量采用較先進(jìn)的自動(dòng)圖像處理技術(shù)及零件移動(dòng)距離光學(xué)測(cè)量技術(shù).

圖1 球面、平面干涉裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置整體構(gòu)建框圖

多功能實(shí)驗(yàn)裝置整體構(gòu)建框圖和三維建模如圖2～3所示.裝置采用十字滑臺(tái)作為基座，測(cè)量光學(xué)零件面形時(shí)，圖3中激光光源采用He－Ne激光光源，光源模式較好.根據(jù)測(cè)量精度要求選擇帶針孔光闌的不同精度準(zhǔn)直管.光源和準(zhǔn)直管的夾具豎直、水平、旋轉(zhuǎn)可調(diào).測(cè)量光學(xué)球面半徑時(shí)，直接將擴(kuò)展白光光源裝夾到光源夾具中，將準(zhǔn)直管移開.多維調(diào)整支架固定的光學(xué)零件樣板及待測(cè)樣板可以水平、豎直、豎直面旋轉(zhuǎn)、水平面旋轉(zhuǎn)可調(diào)，圖4為夾具三維圖.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡及與其物像配合的面陣CCD數(shù)字采集目鏡.在光學(xué)樣板所在夾具位置，根據(jù)不同位移測(cè)量精度要求，與相應(yīng)的光柵尺配合.

圖2 多功能實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建框圖

圖3 多功能干涉實(shí)驗(yàn)裝置三維建模

3 實(shí)驗(yàn)裝置功能及原理

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置功能

使用該實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行激光波長(zhǎng)測(cè)量，等傾、等厚干涉條紋觀察分析，白光干涉現(xiàn)象觀察，光學(xué)平面（球面）面形檢測(cè)，大曲率半徑光學(xué)球面半徑測(cè)量實(shí)驗(yàn).裝置相對(duì)傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀而言，具備數(shù)據(jù)測(cè)量自動(dòng)化功能.其中，利用光柵位移測(cè)量系統(tǒng)直接進(jìn)行微小位移測(cè)量，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)記錄條紋形態(tài)數(shù)據(jù).

3.2 實(shí)驗(yàn)原理分析

關(guān)于用該裝置進(jìn)行激光波長(zhǎng)測(cè)量，等傾、等厚條紋觀察分析，白光干涉觀察實(shí)驗(yàn)原理在有關(guān)文獻(xiàn)已有詳細(xì)闡述［3］，在此不再累述.

利用該裝置進(jìn)行光學(xué)平面（球面）面形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理與平面干涉儀和球面干涉儀實(shí)驗(yàn)原理類似.在檢測(cè)光學(xué)平面零件面形時(shí)，在圖4光學(xué)樣板夾具中放置平面光學(xué)樣板，在待測(cè)零件夾具中放置待測(cè)平面光學(xué)零件，光源采用激光光源平行光，調(diào)整零件支架，利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)等厚干涉條紋.如圖5所示，觀察測(cè)量條紋彎曲程度判斷面形優(yōu)劣及定量測(cè)量缺陷區(qū)域及其偏差.在檢測(cè)球面光學(xué)零件面形時(shí)，用激光平行光做光源，用相同曲率半徑凹球面樣板檢測(cè)凸球面零件，反之，用相同曲率半徑凸球面檢測(cè)凹球面光學(xué)零件.如圖6所示，如果待檢測(cè)球面零件半徑與樣板吻合度不高則條紋密集，數(shù)量多，呈現(xiàn)高光圈；吻合度高則條紋稀疏，數(shù)量少，呈現(xiàn)低光圈；如果待測(cè)球面表面面形不好，局部凹凸不平，則條紋呈現(xiàn)不規(guī)則環(huán)狀，環(huán)狀與圓環(huán)的偏差度反映了面形優(yōu)劣.

圖4 光學(xué)零件夾具圖

圖5 平面面形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理

在裝置上測(cè)量大曲率球面半徑原理如下：對(duì)于曲率半徑為R的球面，如圖7所示，分別測(cè)出2次相交圓半徑r1，r2和矢高H1與H2之差，就有

設(shè)H1－H2＝D，聯(lián)立（1）和（2）式求解可得

利用白光干涉零級(jí)暗紋定位，可以測(cè)出2次平面與球面相交圓的半徑及球面的矢高H1與H2之差D的值［4］.所用光源為白光擴(kuò)展光源.如圖1所示，在裝置待測(cè)零件夾具上安裝被測(cè)球面M2，另一臂為可動(dòng)平板M1，可動(dòng)平板中的其中一面為光學(xué)平面.圖中做出了參考平板關(guān)于分光板P的分光面所成的鏡像M1′及M2′，可動(dòng)平板光學(xué)平面與分光板的分光面成45°.當(dāng)將可動(dòng)平板光學(xué)平面移動(dòng)到其像位于A和B位置時(shí)分別測(cè)出此時(shí)的暗圓環(huán)條紋半徑r1和r2，再根據(jù)（3）式可計(jì)算出光學(xué)球面曲率半徑R.通過疊柵尺可以測(cè)量出可動(dòng)平板從A移動(dòng)到B的距離D［5］.

圖6 圓環(huán)條紋形狀（高光圈）

圖7 測(cè)量原理圖

3.3 實(shí)驗(yàn)精度分析

多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置精度主要取決于光柵位置測(cè)量精度和數(shù)字CCD測(cè)量裝置對(duì)條紋的分析精度.其中，光柵位置測(cè)量精度高低的主要因素是每毫米內(nèi)光柵的條紋數(shù)，條紋數(shù)越多，則精度越高.高分辯率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難.引入細(xì)分技術(shù)可在不增加光柵刻線數(shù)的情況下，提高光敏元件的分辨能力.如采用四倍頻細(xì)分電路，能在1個(gè)柵距內(nèi)，等間隔地分出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使得計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高4倍.例如采用柵距為0.01mm的光柵尺，細(xì)分后光敏元件能分辨0.002 5mm的位移，位移精度提高到了μm級(jí).數(shù)字CCD測(cè)量裝置精度主要取決于其分辨率及圖像數(shù)字處理方法，一般精度可以達(dá)到μm級(jí)［6］.以測(cè)量光學(xué)零件曲率半徑為例，測(cè)量誤差取決于球面鏡從M1到M2經(jīng)過的位移D和黑色圓環(huán)半徑r1與r2.根據(jù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差傳遞原理，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差可表示為

其中：ΔD，Δr1，Δr2分別表示D，r1，r2的測(cè)量誤差.如前所述，光柵位置測(cè)量和數(shù)字CCD測(cè)量精度都達(dá)到μm級(jí)情況下，最后測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差在0.5mm左右［7］.

4 結(jié)束語

光學(xué)面形檢測(cè)、半徑測(cè)量是光學(xué)零件加工過程中的必要環(huán)節(jié)，也是光學(xué)檢測(cè)工作需要掌握的一項(xiàng)基本技能.利用多功能干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置可以豐富物理光學(xué)干涉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生光學(xué)儀器裝調(diào)技能，加深相關(guān)專業(yè)學(xué)生對(duì)干涉原理理解.同時(shí)在一定精度范圍內(nèi)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)零件樣板手工檢測(cè)方法開展光學(xué)零件的非接觸檢測(cè).裝置在一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的構(gòu)建創(chuàng)新，需要進(jìn)一步開展三維建模及有關(guān)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，有待進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化.

［1］ 王中林，鄭丹，孫冬麗.基于白光等厚干涉的光學(xué)球面曲率半徑測(cè)量研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（6）：707－711.

［2］ 王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：210－230.

［3］ 史大椿.光學(xué)測(cè)量與應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：60－62.

［4］ 徐昌杰，潘永強(qiáng).利用邁克耳孫干涉儀測(cè)量光學(xué)球面曲率半徑［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（1）：31－34.

［5］ 譚宇.透鏡焦距及球面曲率的測(cè)量［J］.應(yīng)用光學(xué)，1996，17（1）：44－48.

［6］ 陳玉林，馬龍，顧斌，等.基于線陣CCD的邁克耳孫干涉儀條紋計(jì)數(shù)器［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（2）：21－24.

［7］ 鄧曉鵬，向少華，劉亮員，等.光源的相干性對(duì)牛頓環(huán)干涉條紋的影響［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（8）：27－29.

［責(zé)任編輯：郭 偉］

A multi－functional interference measurement device

WANG Zhong－lin
（Wuhan Vocational College of Software Engineering，Wuhan 430205，China）

Based on Michelson interferometer，a multifunctional interference device was designed using the image processing techniques and the parts mobile distance optical measurement technology.The device could measure the wavelength of light source and the curvature of optics，and detect the shape of optical surface.The results were relatively precise and the device was highly automated.

interference；light source wavelength；spherical radius；optical surface detection

O436.1

A

1005－4642（2012）10－0032－03

2012－02－29；修改日期：2012－04－09

王中林（1975－），男，湖北潛江人，武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院副教授，碩士，主要從事應(yīng)用光學(xué)、激光加工方面的研究工作.