多功能干涉测量实验装置

王中林

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205）

多功能干涉测量实验装置

王中林

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205）

基于迈克耳孙干涉仪，利用自动图像处理技术及零件移动距离光学测量技术，构建多功能干涉测量实验装置，该装置能够测量光源波长、光学球面半径、检测光学面形.

干涉；光源波长；球面半径；光学面形检测

1 引 言

干涉是物理光学的重要学习内容，传统的实验仪器有杨氏双缝干涉、牛顿环干涉、迈克耳孙干涉、平面（球面）干涉仪等实验装置.杨氏双缝干涉实验装置主要是进行分波面双光束干涉测量实验；牛顿环干涉、迈克耳孙干涉、平面（球面）干涉实验设备主要是进行分振幅干涉实验.以上实验设备除平面（球面）干涉设备外，其他实验设备功能单一，实验以定性为主，难以开展与工程实践相一致的一定精度的测量实验.平面（球面）干涉实验设备价格昂贵，一般学校很难配备.笔者基于有关实验基础，构建基于迈克耳孙干涉仪基础上的多功能干涉测量实验装置，并分析其具备的实验功能及实验原理.

2 实验装置整体构建

2.1 装置构建基础及有关思路

将迈克耳孙干涉仪平台上的1块平面镜用大曲率半径凹面镜替换，如图1所示，用激光经扩束作为光源能观察到圆环状条纹，用白光光源做干涉实验，最终能够观察到与牛顿环类似的彩色条纹现象［1］.同时，在进行面阵CCD图像采集与处理实验过程中，能利用图像处理软件进行测量［2］.

基于以上实验基础及有关光学仪器功能分析，构建多功能干涉测量实验装置，该实验装置除涵盖传统迈克耳孙干涉仪实验功能外，还具备球面半径测量、光学面形检测测量实验功能，且测量采用较先进的自动图像处理技术及零件移动距离光学测量技术.

图1 球面、平面干涉装置

2.2 实验装置整体构建框图

多功能实验装置整体构建框图和三维建模如图2～3所示.装置采用十字滑台作为基座，测量光学零件面形时，图3中激光光源采用He－Ne激光光源，光源模式较好.根据测量精度要求选择带针孔光阑的不同精度准直管.光源和准直管的夹具竖直、水平、旋转可调.测量光学球面半径时，直接将扩展白光光源装夹到光源夹具中，将准直管移开.多维调整支架固定的光学零件样板及待测样板可以水平、竖直、竖直面旋转、水平面旋转可调，图4为夹具三维图.光学望远镜及与其物像配合的面阵CCD数字采集目镜.在光学样板所在夹具位置，根据不同位移测量精度要求，与相应的光栅尺配合.

图2 多功能实验装置构建框图

图3 多功能干涉实验装置三维建模

3 实验装置功能及原理

3.1 实验装置功能

使用该实验装置可以进行激光波长测量，等倾、等厚干涉条纹观察分析，白光干涉现象观察，光学平面（球面）面形检测，大曲率半径光学球面半径测量实验.装置相对传统迈克耳孙干涉仪而言，具备数据测量自动化功能.其中，利用光栅位移测量系统直接进行微小位移测量，利用数字图像处理技术记录条纹形态数据.

3.2 实验原理分析

关于用该装置进行激光波长测量，等倾、等厚条纹观察分析，白光干涉观察实验原理在有关文献已有详细阐述［3］，在此不再累述.

利用该装置进行光学平面（球面）面形检测实验原理与平面干涉仪和球面干涉仪实验原理类似.在检测光学平面零件面形时，在图4光学样板夹具中放置平面光学样板，在待测零件夹具中放置待测平面光学零件，光源采用激光光源平行光，调整零件支架，利用望远镜观测等厚干涉条纹.如图5所示，观察测量条纹弯曲程度判断面形优劣及定量测量缺陷区域及其偏差.在检测球面光学零件面形时，用激光平行光做光源，用相同曲率半径凹球面样板检测凸球面零件，反之，用相同曲率半径凸球面检测凹球面光学零件.如图6所示，如果待检测球面零件半径与样板吻合度不高则条纹密集，数量多，呈现高光圈；吻合度高则条纹稀疏，数量少，呈现低光圈；如果待测球面表面面形不好，局部凹凸不平，则条纹呈现不规则环状，环状与圆环的偏差度反映了面形优劣.

图4 光学零件夹具图

图5 平面面形检测实验原理

在装置上测量大曲率球面半径原理如下：对于曲率半径为R的球面，如图7所示，分别测出2次相交圆半径r1，r2和矢高H1与H2之差，就有

设H1－H2＝D，联立（1）和（2）式求解可得

利用白光干涉零级暗纹定位，可以测出2次平面与球面相交圆的半径及球面的矢高H1与H2之差D的值［4］.所用光源为白光扩展光源.如图1所示，在装置待测零件夹具上安装被测球面M2，另一臂为可动平板M1，可动平板中的其中一面为光学平面.图中做出了参考平板关于分光板P的分光面所成的镜像M1′及M2′，可动平板光学平面与分光板的分光面成45°.当将可动平板光学平面移动到其像位于A和B位置时分别测出此时的暗圆环条纹半径r1和r2，再根据（3）式可计算出光学球面曲率半径R.通过叠栅尺可以测量出可动平板从A移动到B的距离D［5］.

图6 圆环条纹形状（高光圈）

图7 测量原理图

3.3 实验精度分析

多功能干涉测量实验装置精度主要取决于光栅位置测量精度和数字CCD测量装置对条纹的分析精度.其中，光栅位置测量精度高低的主要因素是每毫米内光栅的条纹数，条纹数越多，则精度越高.高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难.引入细分技术可在不增加光栅刻线数的情况下，提高光敏元件的分辨能力.如采用四倍频细分电路，能在1个栅距内，等间隔地分出4个计数脉冲，使得计数脉冲的频率提高4倍.例如采用栅距为0.01mm的光栅尺，细分后光敏元件能分辨0.002 5mm的位移，位移精度提高到了μm级.数字CCD测量装置精度主要取决于其分辨率及图像数字处理方法，一般精度可以达到μm级［6］.以测量光学零件曲率半径为例，测量误差取决于球面镜从M1到M2经过的位移D和黑色圆环半径r1与r2.根据测量标准误差传递原理，测量标准误差可表示为

其中：ΔD，Δr1，Δr2分别表示D，r1，r2的测量误差.如前所述，光栅位置测量和数字CCD测量精度都达到μm级情况下，最后测量标准误差在0.5mm左右［7］.

4 结束语

光学面形检测、半径测量是光学零件加工过程中的必要环节，也是光学检测工作需要掌握的一项基本技能.利用多功能干涉测量实验装置可以丰富物理光学干涉实验内容，提高学生光学仪器装调技能，加深相关专业学生对干涉原理理解.同时在一定精度范围内，可以代替传统的光学零件样板手工检测方法开展光学零件的非接触检测.装置在一定实验基础上的构建创新，需要进一步开展三维建模及有关光学实验，有待进一步研究优化.

［1］ 王中林，郑丹，孙冬丽.基于白光等厚干涉的光学球面曲率半径测量研究［J］.应用光学，2007，28（6）：707－711.

［2］ 王庆有.图像传感器应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2003：210－230.

［3］ 史大椿.光学测量与应用光学实验［M］.北京：机械工业出版社，1992：60－62.

［4］ 徐昌杰，潘永强.利用迈克耳孙干涉仪测量光学球面曲率半径［J］.西安工业学院学报，2002，22（1）：31－34.

［5］ 谭宇.透镜焦距及球面曲率的测量［J］.应用光学，1996，17（1）：44－48.

［6］ 陈玉林，马龙，顾斌，等.基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪条纹计数器［J］.物理实验，2012，32（2）：21－24.

［7］ 邓晓鹏，向少华，刘亮员，等.光源的相干性对牛顿环干涉条纹的影响［J］.物理实验，2010，30（8）：27－29.

［责任编辑：郭 伟］

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，湖北潜江人，武汉软件工程职业学院副教授，硕士，主要从事应用光学、激光加工方面的研究工作.