激光平面干涉儀說明書.doc

一、 用途激光平面干涉儀是一種使用方便的光學(xué)精密計量儀器，主要用于精密測量光學(xué)平面度。儀器配有激光光源（波長為632.8nm）。對于干涉條紋可目視、測量讀數(shù)。工作時對防震要求一般。該儀器可應(yīng)用與光學(xué)車間、實驗室、計量室。如需配購相關(guān)的必要附件，可精密測量光學(xué)平面的微小楔角、光學(xué)材料折射率n的均勻性，光學(xué)鍍膜面或金屬塊規(guī)表面的平面度，90度棱鏡的直角誤差及角錐棱鏡單角和綜合誤差。二、 主要數(shù)據(jù)1. 第一標(biāo)準(zhǔn)平面（A面）,不鍍膜。工作直徑：D1=146mm 不平度小于0.02um2.第二標(biāo)準(zhǔn)平面（B面），不鍍膜。工作直徑：D2=140mm 不平度小于0.03um3.準(zhǔn)直系統(tǒng)：孔徑F/2.8， 工作直徑：D0=146mm 焦距：f=400mm4.測微目鏡：焦距f=16.7mm，放大倍數(shù)=15X，視場角2W=40， 成像物鏡：1.D=4.5 II.D=7 III.D=10 F=15 f=23 f=375.工作波長：632.8nm6.干涉室尺寸：深260X寬300X190mm。7.光源規(guī)格：激光ZN18（He-Ne）。8.儀器的外形尺寸：長X寬X高 350X400X720mm9.儀器重量：100公斤圖一 第一標(biāo)準(zhǔn)平面（A面）精度照片圖二 第二標(biāo)準(zhǔn)平面（B面）三、 工作原理 本儀器工作基于雙光束等厚干涉原理。 根據(jù)近代光學(xué)的研究結(jié)果，光兼有波動與顆粒兩重特性。光的干涉現(xiàn)象是光的波動性的特性。因此，介紹本節(jié)內(nèi)容時，僅在光的波動性的范圍內(nèi)討論，例如，把“光”稱為“光波”，“平行光”稱為“平面光”。波長為的單色光經(jīng)過儀器有關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)后成為平面波M。（如圖三所示），經(jīng)儀器的標(biāo)準(zhǔn)平面P1和被檢系統(tǒng)P2反射為平面波M1和 M2。M1、M2即為兩相干光波，重疊后即產(chǎn)生等厚干涉條紋。等厚干涉原理能夠產(chǎn)生干涉的光束，叫相干光。相干光必須滿足三個條件：1.震動方向必須一致，2.頻率相等：3.光束必須相遇，且在相遇點處的相位差在整個時間內(nèi)為一常量。如圖三（3）基準(zhǔn)面P1，被測面為P2.當(dāng)平行光束是S-S射到基準(zhǔn)面P1上時，其中一部分反射為S-S，另一部分折射為B-F，進入基準(zhǔn)面和被測面之間的空氣層內(nèi)，經(jīng)被測零件的上表面P1反射之后，沿方向S-S射出。兩束光在C點處相遇，其光程差為： =(BF+FC)n-EC.n （1）式中n和n分別表示玻璃和空氣的折射率。 由圖三（3）可得：BF=FC= (2)式中 h空氣層的厚度； i和i分別為入射角和折射角由BEC和BCF可行 EC=BCsin i （3） BC=2h tg i （4）將公式(4)代入（3）后，再和（2）一起代入（1）得： 因為n sin i=nsin i,所以空氣的折射率n=1，故=2 h cos i由于光線在被測零的表面上反射，其位相將發(fā)生/2的突變，故光程差應(yīng)該用下式來表示： （5）為了討論方便起見，將公式（5）寫成如下的形式：當(dāng)式中的m為整數(shù)時，m即為干涉級數(shù)。由于這時相干光的初始相位差=0，所以m即為干涉條紋的條紋數(shù)，亦即通常所說的光圈數(shù)。由公式（5）可以看出：光程差的大小僅僅與空氣層的厚度和光線的折射角有關(guān)。相干光束以相同的傾角射入空氣層，由于空氣厚度的變化，所呈現(xiàn)的亮暗相間的干涉條紋是對空氣層上等厚度點的軌跡，這類干涉就稱為等厚干涉。見圖三（2）由于儀器的標(biāo)準(zhǔn)平面P1具有很高的精度，因此可以認為：經(jīng)P1反射后的波面M1與M0完全相同。假使被檢系統(tǒng)P2沒有誤差，因此也可以認為：經(jīng)P2反射后的波面M2與M0完全相同，即與M1完全相同。如果M1、M2之間存在楔角,則兩波面疊加相干時，得到平行的、直線的、等間距的一系列干涉條紋，相鄰兩條紋的間隔即條紋寬度B由下決定：B= (以弧線計)（6）式 B= (以秒計算)(7)當(dāng)B=632.8nm時（He-Ne激光輸出波長）時，B=130.528/ （mm） (8)由（6）（7）（8）式可知： 愈大，B愈小，條紋愈密，窄（圖四a） 愈小，B愈大，條紋愈疏，寬（圖四b） =0，B=，干涉場為一片顏色（圖四c）如果被檢系統(tǒng)P2存在缺陷，則反射波面M2將產(chǎn)生對M1的某些偏離，此時將產(chǎn)生與下述不同的干涉條紋。圖四如M2是一半徑很大的球面波，則可能得到圓弧的干涉條紋(圖五a)。如M2是一半徑不是很大的球面波，則可能得到一系列圓環(huán)形的干涉條紋（圖五b）如M2是柱面的波形，則可能那個得到一系列直線的平行的，但間距不等的干涉條紋也可能得到彎曲的，但不是圓弧狀的干涉條紋（圖六a）如果M2是一個不規(guī)則的波面，則得到相應(yīng)不規(guī)則的干涉條紋（圖六a）因此，我們得到的干涉圖正確地表現(xiàn)力經(jīng)被檢系統(tǒng)反射形成的波面的全部誤差信息，對這些條紋進行正確地解釋或計算，可以測得被檢系統(tǒng)的誤差。對于被檢平面，常用N、N來表示其平面性精度。圖五圖六四、 儀器結(jié)構(gòu)如圖七所示，以檢測光學(xué)平面為例。a) 光學(xué)結(jié)構(gòu)：由組合星點G1發(fā)出的單色光經(jīng)棱鏡G2后，投向主鏡表面折射為平行光后，射向主鏡下表面（A面）及被測光學(xué)平面，A面和被測光學(xué)平面反射回來的光重疊相干后，經(jīng)棱鏡G2反射，進入接收件。星點可由激光管G5、棱鏡G6、光源強度調(diào)節(jié)發(fā)散鏡G7組成。接收件可以由人眼G10.成象物鏡G15和測微目鏡G11，或由分光棱鏡G12，可動小孔G13和攝像頭G14組成的攝像系統(tǒng)。b) 儀器結(jié)構(gòu)：箱體1聯(lián)系各部件、導(dǎo)軌2借助螺釘3固定光源，壓圈4固定接收器件。門 可卸下去不用。 底面7下有微調(diào)機構(gòu)，借助與手輪8調(diào)節(jié)干涉條紋，凹型臺有平行槽，借助于插入工作臺，工作臺上有調(diào)節(jié)手輪，可粗調(diào)干涉條紋。圖七 儀器結(jié)構(gòu)五、使用說明5-1激光光源的使用： 本儀器附有=632.8nm的He-Ne激光光源（圖八）。本儀器選用ZN18激光管（圖九），安裝激光管時，取下激光光源后罩，松開兩個附有彈簧片的黃銅螺絲，把激光管放入凹圓弧有機玻璃座，須注意：1. 激光管的輸出端須安放在光源部件的上方，即有兩調(diào)節(jié)螺絲的一端，市場上供應(yīng)的激光管有正極性輸出與負極型輸出，究竟何極為輸出端參見所購激光管的說明書。2. 激光管座用帶有彈簧片的黃銅螺絲壓緊后，松緊適且，切忌壓得太緊。3. 插入相應(yīng)電極插座。其后把激光電源安放在三角座2上，用螺釘3固定，然后接通電源，點亮激光管。4. 旋動調(diào)節(jié)螺絲25、26使激光束射在發(fā)散鏡上。此時在觀察孔觀察整個視場，調(diào)節(jié)至整個視場內(nèi)均勻地充滿紅光為止。5. 如發(fā)現(xiàn)視場內(nèi)有雜亂的光環(huán)，那是發(fā)散鏡外表上沾有灰塵衍射而成的緣故，只需用干凈的干紡綢擦拭發(fā)散鏡或用氣球吹發(fā)射鏡表面即可。6. 本儀器激光光源附有亮度調(diào)節(jié)圈22，轉(zhuǎn)動22即可調(diào)到你認為合適的亮度。7. 激光管長期不用，同樣會終止使用壽命，故備管不宜過多。5-2目視頭的使用、測微頭的使用：1.目視頭40借助與螺釘41固定在圈3上，即為工作狀態(tài)，此時，儀器標(biāo)準(zhǔn)面A的反射象點位于目視接目框的中央。2.測微頭42，借助螺釘43，固定目視頭的接目框上，本儀器附有三種規(guī)格的測微器（圖十），其成像物鏡分別為：F15、F23、F37三種，測微器目鏡均勻為15X測微目鏡，三種規(guī)格的測微器使用范圍見下表一。3.借助與測微目鏡的鼓輪與可移動分劃板，可測得干涉條紋的寬度、彎曲度，根據(jù)國家“光圈識別”標(biāo)準(zhǔn)，可測得光圈數(shù)N、N等數(shù)據(jù)。表一規(guī)格焦距（mm）放大倍率（）適用被測系統(tǒng)口徑F15150.5690-150F23230.8650-105F37371.3960以下圖 圖九 激光管圖十 目視、測微目鏡與成像物鏡5-3門的使用本儀器工作室裝有保溫與防氣流使用的門。門的拆卸是十分方便的，在車間工作的往往不要門，此時可拆去不用（圖十二）。門的開啟借助于白色長柄10，向下按后向外拉，門即開啟。把門推上，即彈簧舌頭自動把門卡緊。圖十二 門開啟狀態(tài)5-4底座部分的使用底座6內(nèi)具有凹形的承物框7，框側(cè)為兩相對成排的凹形槽，借助于插入各種工作臺。 凹形承物框7下有調(diào)節(jié)機構(gòu)，借助于手輪8，可方便地調(diào)節(jié)承物框的傾斜，從而可根據(jù)測量目的完成所需的調(diào)節(jié)。須注意：在一般情況下，盡量使承物框的底面與底座門框下邊平行。因底座上的調(diào)節(jié)機構(gòu)適合精密微調(diào)，工作臺附有必要的粗調(diào)機構(gòu)，一般情況下，在門關(guān)閉后，使用調(diào)節(jié)手輪8。5-5工作臺的使用工作臺(圖十三)可插入不同高度的凹槽內(nèi)。圖十三 工作臺 圖十四 激光電源箱工作臺具有兩個調(diào)節(jié)螺釘，借助與此可調(diào)節(jié)干涉條紋，并附有四叉的升降調(diào)節(jié)器，叉球自右向左側(cè)工作臺下降。工作臺的微量升降在某些測量中是必需的。工作臺上方具有直徑為170mm的載物臺，用與承放被測件。六、 測量光學(xué)平面的調(diào)節(jié)方法6-1測量光學(xué)件的平面度如果被測件是一平行板，建議在非被檢面涂上凡士林油，防止該面的反射光不怕干擾，例如產(chǎn)生絮亂背景條紋，影響條紋的對比度。把被檢件K放在工作臺84上（圖十五a），被檢面朝上，選擇合適高度的凹槽把工作臺插入。人眼距離觀察孔200mm左右觀察，可見到兩個分開的星點，中央的一點為儀器標(biāo)準(zhǔn)面A形成的，另一點是被檢面形成的，調(diào)節(jié)工作臺上的兩個手輪，兩個星點逐漸重合，此時眼睛順著星點靠近觀察孔，可見到細而密的干涉條紋，繼續(xù)調(diào)節(jié)手輪，干涉條紋由密到疏，直到你認為需要的條紋數(shù)量與方向（圖十五b）如果被檢件須恒溫，則可關(guān)上門，在外面借助手輪8調(diào)節(jié)干涉條紋。干涉條紋的解釋與定量須照國家標(biāo)準(zhǔn)“光圈標(biāo)準(zhǔn)”。6-2光學(xué)平板微小楔角的直接干涉法（圖十六）光學(xué)平板的兩個面反射后自身引成干涉條紋，如果光學(xué)平板兩個面的夾角為，平板材料折射率為n，則兩個相干波面的夾角為=2.n. (9)結(jié)合（8）式，可得 B=65.264/n. （10）當(dāng)n=1.5時 B=43.5/ (11)或=43.5/B （12）下表三列出光學(xué)平板（n=1.5）楔角對應(yīng)的條紋寬度值：b圖十五 測量光學(xué)平面平面度圖十六 光學(xué)平板微小楔角的直接干涉法表三（秒）（mm）（秒）（mm）（秒）（mm）0.4108.752.517.494.80.587314.5104.40.672.5410.9113.90.854.458.7123.6143.567.3152.91.52976.2202.2221.885.4251.7圖例中測得B=29 故=1.5秒七、 使用中的幾點說明在干涉測量中光學(xué)玻璃受熱變形是產(chǎn)生光學(xué)表面光圈變化的一個重要因素，因此在使用中對溫度的穩(wěn)定性要求是很高的，溫度不穩(wěn)定直接影響測量精度的可靠性。7-1溫度1.恒溫時間被檢工件裝在放入儀器的干涉室前，由于工件是以外界進入工作室的，要有一個恒溫時間，我們一般放24小時以上，然后再放入干涉箱內(nèi)，等溫6個小時以上，使平晶面形達到應(yīng)有的真實狀態(tài)，根據(jù)JJB28-80國家標(biāo)準(zhǔn)：平晶在檢定前放置在溫度為205的檢定室內(nèi)不少于下列表四內(nèi)規(guī)定時間：表四平晶直徑（mm）恒溫時間（小時）平晶直徑（mm）恒溫時間（小時）4510120206016150308018在檢定平面度前，根據(jù)尺寸大小應(yīng)放置在工作點不少于下表五規(guī)定的時間：表五平晶直徑（mm）時間（分）4560308010060150120檢定時室溫應(yīng)穩(wěn)定，溫度變化應(yīng)不超過表六規(guī)定：表六平晶直徑（mm）在24小時內(nèi)溫度變化在1小時內(nèi)溫度變化45602.50.5801001.50.215010.1如果要測量高精度的平晶，我們一般是在檢定時間內(nèi)（六小時），不允許有0.5的溫差變化，在儀器周圍也不允許有0.5的溫度梯度差異。否則會使主鏡和被檢工件受溫不均，引起條紋的彎曲和象散。因此儀器須放置溫差小，溫度空間梯度小的環(huán)境之中，有條件最好的恒溫室內(nèi)布置一個小房間，內(nèi)壁四周蒙上鋁皮，以保證溫度的均勻一致。2. 外界溫度的影響操作人員在檢測工件時，長時間靠近儀器觀察，人體的溫度必須使儀器四周溫度引起變化而轉(zhuǎn)入工件，引起干涉條紋變形和象散，一般在工件放入后，先調(diào)整好干涉條紋的方向和條紋數(shù)（一般3-5條），在恒溫時間到后，去觀察，再很快地轉(zhuǎn)動微動手輪，確定另外方向的干涉條紋，再馬上觀察，時間不能太長，由于人溫的影響而不一致，致使引起判別錯誤。另一方面也必須嚴格控制檢驗室內(nèi)的工作人數(shù)，再則電源箱在工作時也會產(chǎn)生熱量，故一般把電源箱放在工作臺下或較遠離儀器的地方。檢定完畢，即把電源箱關(guān)掉。7-2防震我公司生產(chǎn)的激光平面干涉儀在設(shè)計時，對儀器結(jié)構(gòu)本身的防震作過一定的考慮，因此一般只要在工作臺上放一塊10毫米厚度的橡皮或毛氈即可，工作場地的地面應(yīng)結(jié)實牢固，不允許有人走動時能感覺到的震動。儀器如放在木制工作臺時，因儀器本身有100公斤，為使工作臺變形引起震動，因此儀器需放在腳比較結(jié)實的一邊，這樣就能減少晃動。7-3干涉條紋數(shù)的確定和方向 在干涉測量時，對于干涉條紋數(shù)目選擇多少影響到工件本身的測量誤差。干涉條紋數(shù)目太少（疏）反映不了整個面形的誤差，干涉條紋數(shù)目太多（密），干涉條紋失高的測量誤差也很難計算。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，使被檢區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)3-5干涉條紋，這樣誤差就能容易判斷。如果對高精度平面的測量，最好以米字形四個方向?qū)Ω缮鏃l紋進行觀察，這樣就更能客觀地反映被檢工件整個的面形誤差。如圖十七所示。圖十七 觀察、照相干涉條紋四個方向7-4干涉條紋的正負判斷 區(qū)分被檢工件平面度的正負即高（凸）低（凹）圈的方法很多。以本儀器而已，從使用方便角度來看，首先用手指輕輕托托被檢工件的下方，看干涉條紋的移動方向，然后把門關(guān)上，在用肉眼觀察的，同時用兩手輕輕從上至下按動儀器中的微動手輪，看是否與托被檢工作臺一致（一般都是一致的），此時從視場中就能很容易地看到條紋在按動中向某一個方向移動，根據(jù)我公司儀器情況，如果按下去條紋凸的方向向外擴散（如圖十八），我們就認為工件面形為高光圈（凸面），如果條紋方向按下去收縮，我們就認為低光圈（凹圈）。若按動微動手輪和輕托工作臺不一致，就按輕托工作臺為準(zhǔn)，用這個方法在檢測中比較簡單，使用起來也極為方便。圖十八 干涉條紋判別7-5影響條紋清晰度的幾種原因 影響條紋清晰度的原因很多，我們在使用過程中大致有以下幾種情況：1. 激光光束與小球關(guān)系在使用中，激光光束是否很均勻地照射在2mm的小球上（G1）,如果有偏離，使干涉場強不均勻，這樣觀察到的條紋就有粗細，容易造成條紋精度的判別錯誤，因此在使用前，調(diào)節(jié)光束是必須的。2. 激光管老化：激光管在使用一段時間后，光亮度會減弱，同時會出現(xiàn)忽亮忽暗現(xiàn)象，此時看到的條紋也是不清晰的，換一根管子即能排除。3. 被檢工件面和主鏡與小球的不清潔：、如被檢工作面沒有擦清或主鏡有手印時間長了出現(xiàn)霉斑以及小球占上灰塵都能影響干涉條紋的清晰度，因此，在檢定前清洗各光學(xué)件是必須的。4. 被檢工件和主鏡的高度：在檢測時，被檢工件最好靠近主鏡，這是由于不可避免的模式競爭，使激光管的單色性更差，從而使干涉條紋模糊，在工作中我們發(fā)現(xiàn)越靠近主鏡（當(dāng)然不要碰到主鏡），它的條紋越清晰。八、 儀器的開箱和安裝我公司生產(chǎn)的激光平面干涉儀是一臺高精度的光學(xué)檢測儀器，自重為100公斤。為了保證儀器本身的精度，在運輸、搬運、開箱、安裝時就與一般儀器不同。在運輸、搬運中要防止儀器受潮、防止儀器的嚴重傾斜與激烈晃動，以免鏡片發(fā)霉和由于光軸的傾斜焦距移動而影響儀器精度，或使儀器不能使用。在開箱取件時，必須把儀器慢慢地從水平方向拉出來，然后兩個人把它抬進工作室放在牢固防震較好的工作臺上，在搬運時千萬不能把儀器的微動手輪當(dāng)作拉手使用，不然容易把微動手輪拉彎，至使儀器不能正常使用。儀器運到時，如遇到天氣正是室溫和室外溫度相差很大，不能把儀器馬上搬進室內(nèi)，最好在走廊中進行一個晚上的定溫，使儀器本身溫度逐漸和室溫相接近。如果儀器馬上從室外搬進室內(nèi)，這時由于室溫和露天溫度相差較大，使儀器溫度突然