光學(xué)零部件的基本量測量

1、第三章光學(xué)零部件的基本量測量 3-1球面曲率半徑的測量概述工廠通過看光圈檢驗球面面形零件基準(zhǔn)樣板工作樣板樣板根據(jù)不同要求分為A,B兩級基準(zhǔn)樣板通過測曲率半徑檢驗2mm 550,37.50.06%42陰影法1000mrW RW幾十米 刀口儀0.05%自準(zhǔn)直法 R幾十米自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡R w 500mm自準(zhǔn)直顯微鏡10 103m1%凸 0 25mm凹 0 500mm 0.002 3-1-1機械法一、測量原理R2 =r2 _(R_h)22rR 2hh = R _ , R2 _ r2為防止磨損環(huán)口上放三個鋼球；（r + P）2 =r2 +R-（h - P）2（凸） （R P）2 =r2 +R-（h+ P）

2、2（凹）2R丿-2h、測量方法和裝置1、裝置圓環(huán)球經(jīng)儀2、方法1) 樣板A平板玻璃放在還口上讀取a1B球面放在還口上讀取a2C 計算 h=a2-a12r2h(2)標(biāo)準(zhǔn)樣板(對板)A凸面放在環(huán)口上讀取a1B凹面放在環(huán)口上讀取a2C 計算 2h=a2-a1P2rr 二 r2 廠2_r2(R -r )h = R 2Rd2h 23、測量誤差分析:Rr.:r工，1.:h2 2h卜2冷（1-）2町22+ 550,37.50.06%R4、環(huán)口選擇R(1 - 1 - K2)AcrR(1 _1 -K2)(1 _ .1 _K2)f1(K)ch2r2 2h2二1 二K2廠-f2(K)1 - J - K2=,f12(

3、K)J2 f/(Kh2fl ( K), f2 ( K )在定義域內(nèi)為單調(diào)函數(shù)有端值00. 250. 50. 751f1（ K）oo7. 883. 732. 201. 00f2（ K ）oo30. 56. 641. 950K取0.75較合適5、優(yōu)缺點1) 優(yōu)點：精度高、測量范圍寬、零件不用拋光、操作方便2) 缺點：磨損 3-1-2自準(zhǔn)直法一、準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡法1、測量原理-R d - -x - fR“ x f =d （丄）f =d f（f .*X，x*當(dāng)d R,x，時2、測量裝置及方法1) 、裝置：帶有伸縮筒的自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡2) 、方法A用平面反射鏡自準(zhǔn)讀取 a1B用被測球面自準(zhǔn)讀取a2 c 計算 x

4、= a1 - a2R-f（f x）3、誤差分析cRc甘1，:R.:R.:f2f x；， A =- x:x2X二 r 二-A 打B2 2 飛 d2lg（-R） =2lg f _ lg x dR 2df dx=r 其中 2匚R:二 f -丄二 0.1%二X主要有三個因素決定（1）縱向調(diào)焦誤差-X1調(diào)焦誤差70.2創(chuàng)、2 丄/ 4幾、2 （市）（時）SD（屈光度）8-2）crcn自準(zhǔn)時2二代）（302）2調(diào)焦兩次7=-2；.D2 (0.29)2( 4 )23D2-SD1CT *X1SD11000（2）平面鏡的面形誤差- SD2Ro4N D2X2f 2 _4N， f 21000SD2 一 一 D2 1

5、000修正丄凹面取正凸面取負(fù)RR1R0（3 ）伸縮筒格值誤差廠-0.001mmX2例：用自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡測一透鏡曲率半徑已知D=50mm,D/f 0=1/10 r =20平面鏡口徑D0=60mm,N=0.2（在 50mm 范圍內(nèi)）測得 x，=5mm,1mm,25mm解：=.4（ f ）2（ x ）2R f丿x丿二 0.1%；-SD12，/0.29:、2=_ .(2 3.- D(J2 、620 503D2)6（29一hr 嘰3 502)=1.70 10(1/m)二0.5&.一 Fd)取清晰度法220 (5010.58 -6= _6.610 蟲20 2)CTx1口 SD11000500241.710

6、一1000二 0.04251 4N4 0.2 0.56=R0一D26024二 1.24 104N& fCT * = x22=1.24 10-4 5002D2 10001000 “031二 x：= ：；0.042520.0312= 0.053若 x / =5mm, R = _5002二 50000 mm5R-R x卜 2 -(x )2x)2_.4(0.1%)2(0.0053)2V50.23%若 x / =1mm, R =5002250000 mm12 rx)2x/20.0053 2下 4(0.1%)2 +(1-)20.56%若 x / =25mm, R =-亞=10000mm254（；）2 H；

7、）220.0053 2二 一、4(0.1%)2(25)20.02%若 d=200mm R-f (f . x)-200500(50025)= 10300mm252(2f * 2=(50 )20.0532 (2 500 25)2 0.52 252529.5029.50R 10300= 0.29%4、優(yōu)缺點（1）優(yōu)點：可測大曲率半徑、非接觸測量、設(shè)備簡單（2）缺點：精度低（0.2%10% ）、只適用于大曲率半徑、被測零件要拋光二、準(zhǔn)直顯微鏡法1、測量原理2、測量方法和裝置（1）裝置：光學(xué)球經(jīng)儀（2）方法：A顯微鏡的準(zhǔn)球心看到自準(zhǔn)反射象記下讀數(shù)alB顯微鏡的準(zhǔn)球面看到自準(zhǔn)反射象記下讀數(shù)a2C 計算 R

8、=a2-a1+xo3、誤差分析A夾持器座定位誤差 二1 = 3.0B刻尺刻線誤差二2 =0.5mC投影讀數(shù)器誤差 二30.5m一6 L 0.07、2/ nkTD顯微鏡兩次調(diào)焦（清晰度法）的標(biāo)準(zhǔn)偏差二4 一 -（）2（2）2（mm）6 2FNA3NA2-4 ,NA=0.1,=0.56m,】m =10 ： =1例：用光學(xué)求經(jīng)儀測曲率半徑，已知：求調(diào)焦誤差可見提高和可提高測量精度但1、大大工作距小凸面測量受限3、零件口徑D/R小時NA不能充分利用達(dá)不到提高精度的目的反而會因放大率大光束孔徑 小使視場暗降低調(diào)焦精度4、優(yōu)缺點（1）優(yōu)點：非接觸測量表面不會磨損、可測小曲率半徑、精度高 二R （ 0.00

9、10.002）（2）缺點:表面必須拋光、測量范圍小（凸大于 25mm凹小于500mm ）、儀器調(diào)整 復(fù)雜 3-1-3陰影法1、測量原理R=SC=HC R=R-L=HC-HA BC ABCHHx C1 62 一氓R D/2ABACHCD、4RBCHH2、3、R = L+AR = L + 壯 L4R4L測量裝置及方法（1）裝置：刀口儀（1）測量方法A使刀口位于球心處B量LC計算R = L 4L測量誤差分析A米尺誤差L = (0.5 1mm)B調(diào)焦誤差h叵,8R8RR2.：R8Rr：hD：h 20二丄比2040：R2 =哼 hD2D2 40 1000R -5000 D2例：D=130mm,R=130

10、0mmR- R2 2 - 130025000 D 5000 130:二0.02mm可見調(diào)焦誤差很小不是主要矛盾R = RR2 = ：R| 二 0.5mmR 0.5% = 0.04% 13000.05%R精度優(yōu)缺點（1）（2）測面形精度：720自準(zhǔn)740檢測球面平面、非球面面形偏差、 大口徑 光學(xué)面拋修的工藝檢驗、檢凹球面鏡的面形偏差1 檢測原理1）理想的會聚球面波判別準(zhǔn)則：陰影移動與刀口切入方向相同，刀口位于光束會聚點之4、5、優(yōu)點：非接觸測量、可測大曲率半徑 缺點：被測面必須拋光、只能測凹面址用1上1?圧L第卅擊2 事詫訴牡It）。由此判別待檢面的面形偏差的性質(zhì)、程度和K取2%時，算得相應(yīng)的

11、極限靈敏度分別表示為前；陰影移動與刀口切入方向相反，刀口位于光束會聚點之后；陰影圖呈均勻的半暗狀態(tài)， 刀口剛好切至光束會聚點處。2 ）若待檢面存在局部偏差和帶區(qū)誤差， 待檢面存在的局部偏差很容易從陰 影圖中發(fā)現(xiàn)。 當(dāng)?shù)犊趧偤们兄敛鏁埸c時，則在半暗背景中出現(xiàn)局部偏差的輪廓M若M中的陰影移動方向與刀口切入方向相同，則 M較波面其它部分是凸起的；反之， M是相對凹下的。如待檢面的面形存在帶區(qū)誤差，為使陰影圖反映出的波面形狀與實際波面最接近，也就是說能將各環(huán)帶的波差都反應(yīng)出來，在刀口切至光軸的同時，應(yīng)仔細(xì)地軸向移動刀口，直至呈現(xiàn)出最復(fù)雜的陰影圖止，如圖 38所示。2 .檢測方法1） 按檢測要求的相

12、對位置放置刀口儀及待檢鏡，使刀口大致垂直于待檢面的 光軸。2）依據(jù)待檢面的孔徑、半徑以及波差對稱與否，合理選擇星孔大小或狹縫寬度，并將星孔S射出的光束調(diào)均勻。沿軸向移動刀口，由刃口處的紙屏攔 得的光斑逐漸變小，并達(dá)到清晰。此時，象S已位于刃口處。3）再隨著刃口的切入而仔細(xì)地調(diào)刀口軸向位置，使觀察到的陰影圖最復(fù)雜（刀口剛好切到最佳象點處 范圍。3 .檢測靈敏度刀口偏離球心AR而使陰影圖產(chǎn) 生的亮度對比度，剛好等于人眼的對 比靈敏度時，人眼仍將看到“平面影 象”的陰影圖。此時，以 0為球心的 波面AB相對以0 為球心的參考波面 AB 有一波差；。故可用 職或S表示 刀口陰影檢測的靈敏度。用狹縫光源

13、（狹縫寬為b），人眼 對比靈敏度K取5%時，刀口 陰影檢測靈敏度分別表示為RD:R = 0.095b(), j =0.012b()DR當(dāng)人眼判別亮度差的極限對比靈敏度.R =0.039b(E), 1 =0.0049b(_D)DR用星孔光源（星孔半徑為r） , K取5%時刀口陰影檢測靈敏度分別為.R| =0.30r（）, 1 =0.038r（D）DR同樣若K取2%,可算得刀口陰影檢測的極限靈敏度分別為.R =0.17r（R）, 1 =0.020r（D）DR靈敏度與光源大小及光源形狀選擇有關(guān)， 自準(zhǔn)直光路的，檢測靈敏度可達(dá)幾十分之一波 長的量級。對非自準(zhǔn)直光路的其檢測靈敏度要降低一半。當(dāng)光源過小時

14、，隨著衍射效應(yīng)增強、陰影圖亮度的降低以及定值的增大，檢測靈敏度反而要降低，故選擇光源尺寸時要恰到好處。二、檢平面鏡的面形偏差刀口陰影法檢平面鏡，須有一塊局部偏差與象散均很小的標(biāo)準(zhǔn)凹球面反射鏡作為輔助工 具，共同組成一自準(zhǔn)直檢測光路，如圖所示。其D/R值一般選1/8 一 I /11。待檢平面鏡，盡量靠 近鏡M M的光軸與平面鏡法線夾角大致成45角。刀口放在鏡面M的球心附近，L為刀口到平面鏡中點 G的距離。若待檢面是完好的平面， 當(dāng)?shù)犊谇兄疗淝蛐臅r， 可看到視 場瞬間變半暗狀態(tài)。如待檢平面存在帶區(qū)誤差或 局部偏差，則會在半暗陰影圖中相應(yīng)部位上出現(xiàn)亮暗不均勻的 陰影；由于檢測時光線在平面上斜反射兩次

15、，故 檢局部偏差的精度提高近一倍。若待檢平面是個曲率半徑較大的球面，則光源S對該球面相當(dāng)是軸外物點，自準(zhǔn)回來的波面將是個象散圖3-11檢測半面錘M標(biāo)準(zhǔn)凹球面鏡* 斤待檢卩面鏈暗，貝U表明刀口剛好切到子午焦線處,記下刀口儀的軸向位置讀數(shù)。然后將刃口轉(zhuǎn)至與圖面波面，并在刀口附近形成相應(yīng)的子午焦線 （垂直圖面）和弧天焦 線（圖面內(nèi)）。檢驗時，將刃口平行圖面放置， 刀口自右向左切 割光束。同時軸向調(diào)節(jié)刀口儀位置。 若見到視場瞬間全部呈半宙皿心蔓點間忸檢靜二反非球面 1待檢騰球面|昏一持檢犁曲ah 3-荷檢拋輸面才4-標(biāo)砂面僅 $標(biāo)笊平面輦平行，自上而下切割光束，并軸向移動刀口，又可找到視場瞬間全部呈半暗的位置。這表明刀口剛好切到弧矢焦線處。在刀口儀上再次讀得一軸向位置讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為象散Yo,其大小反映了待檢平面的凸凹程度，其正負(fù)反映了待檢面的凸凹特性。如子午焦線靠近待檢面一邊，則待檢面是微凹的平面。反之，弧矢焦線靠近待檢面一邊，則待檢面是微