光學元件測量之面形測量
光學元件面形測量
D.2.1
小型光學元件面形測量
一般小口徑光學元件（通光口徑≤100mm）在車間大都用斐索干涉儀量，原理如圖D.6(a)，激光束經擴束鏡後聚焦在光闌中心3處，由光闌光點發出的球面波依次經過分光鏡和準直物鏡形成準直光射向標準鏡組，由標準鏡組的標準面的反射光原路返回，形成參考光波∑；另一路光波通過干涉儀到達被測平面再返回，與參考光波形成等厚干涉條紋。由於光路是垂直射向標準面的，故相應兩條紋間的光程差為λ，相應的空氣隙厚度為λ/2。當減少空氣隙厚度時，同級序的干涉條紋將保持原來光程差值方向移動，由此確定面形偏差。具體識別方法可參照國家標準GB/T 2831-2009的規定。球面測量方法與平面量量差不多，只是將干涉儀的標準鏡組換成球面標準鏡組。
（a）平面測量原理圖（來自網路配圖）
（b）球面測量原理圖
圖D.6斐索干涉儀量量原理圖
1：激光器；2：擴束鏡；3：光闌；4：分光鏡；5：準直物鏡；6：平面平晶；7：標準面；8：被測面；9：成像鏡頭；10：固定透鏡；11：標準鏡組；12被測球面鏡
在實驗室一般採用干涉儀量量，干涉儀的種類很多，國內主要運用ZYGO干涉儀（如圖D.7）進行測量。干涉儀平面光波的口徑可達φ600mm，其測量精度可達λ/40，但在實際量量過程中，測量精度還要受到標準鏡頭的限制。
（a）卧式干涉儀
（b）立式干涉儀
圖D.7干涉儀
凹球面（非球面）鏡及平面鏡均可直接更換標準鏡頭進行測量，對於凸面鏡則要藉助輔助凸面鏡測量，如圖D.8。
近年來大型高精度光學元件加工技術日益成熟，相對口徑比較大。在測量面型時，由於干涉儀所配的標準鏡頭滿足不了量量要求，需要專門為此做一個補償鏡，測量方法原理如圖D.9。運用補償鏡測量的光學元件，口徑都比較大，測量過程中環境影響比較大，可將干涉儀的原始數據提取出來，以多次測量求平均值作為最終測量結果。
圖D.8 凸面鏡量量原理圖
1：干涉儀；2：標準鏡組；3：被測面；4：標準鏡面
圖D.9補償鏡組測量面形原理圖
1:干涉儀; 2:標準鏡組; 3:補償鏡組; 4:被測鏡面
D.2.2
大型光學元件面形測量
由於大型光學元件材料本身就很昂貴，故每道加工工序都要嚴格控制。大型光學元件加工主要為粗磨、精磨和拋光這三道工序，粗磨和精磨工序需進行幾何外形尺寸測量，拋光工序主要測量工作面面形。粗磨和精磨加工目前主要用三坐標進行檢測，如圖D.10。拋光加工主要用干涉儀檢測，如圖D.7和圖D.9。
圖D.10 三坐標檢測圖
在大型光學元件拋光檢測過程中，可以用刀口儀進行檢測，對於有經驗的加工人員來說，用刀口儀進行檢測可直觀地反映面形情況，如圖D.11，現在有已有數字刀口儀。加工人員可根據刀口儀顯示的干涉圖進行局部拋光研磨，修改面形。
(a)原理圖
（b）刀口儀檢測陰影圖 (參考《光學測量》楊志文 兵器工業出版社)
圖D.11 刀口儀檢測原理圖
1:顯微鏡; 2:刀口儀; 3:被檢測鏡面
參考文獻
GB/T 2831-2009光學零件的面形偏差
GB/T 10987-2009 光學系統 參數的測定
GB/T 4315.2-2009光學傳遞函數 第2部分：測量導則
GB/T 27667-2011光學系統像質評價 畸變的測定
《光學測量》，楊志文，兵器工業出版社
《計量測試技術手冊》第10卷 光學，計量測試技術手冊編委會，中國計量出版社
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