韓振華，林 健，卓金寨，王 敏

（福建師范大學 物理與光電信息科技學院 醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室，福建 福州 350007）

引 言

光干涉法由于具有很高的測量精度，經(jīng)常應用在許多精密、超精密加工測量工作中［1，2］。光學零件作為一種精密加工的元件，其加工過程控制和最終的結果檢驗都依靠光學干涉法，即通過干涉的方法檢驗光學零件面形偏差。通常采用光學樣板法或干涉儀測量，在垂直于一個圓形檢驗范圍內的位置所觀察到的干涉條紋（通稱光圈）的數(shù)目、形狀、變化和顏色來確定其面形偏差［3－5］。

目前國內外多種類型的干涉儀可以實現(xiàn)對球面光學工件面形的精確測量。這些干涉儀器從干涉圖樣信息獲得被測球面面形的象散偏差及局部偏差，采用精密導軌根據(jù)球面球心和頂點之間的距離測量出光學工件的曲率半徑，但這些儀器大都用于光學零件的最終檢驗，而且通常價格昂貴、體積龐大，并不適用于對加工過程的質量控制。在加工過程中的檢驗目前主要還是通過光學樣板法來檢驗，這種方法每次只能檢測一片，而且在檢測的過程中光學樣板通過加壓直接接觸被檢鏡片，容易對已加工好的球面造成二次傷害，效率低，不能適應現(xiàn)階段大批量的生產(chǎn)現(xiàn)狀。

現(xiàn)設計一種能現(xiàn)場應用、特別是對加工過程中的零件作在線檢測的小型化、價格低廉的面形檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)在線快速無損檢驗球面鏡片的面形質量，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

1 系統(tǒng)的基本原理

泰曼－格林干涉儀可以用來測量棱鏡、玻璃平板的材料均勻性，同時也可以用來測量光學系統(tǒng)的綜合質量［6］。由于泰曼型的干涉儀屬于雙光路干涉可以獲得等厚干涉，對于被測件的反射率要求較低，容易獲得對比度較好的干涉圖樣［7］，因此采用泰曼－格林原理來設計用于加工過程中產(chǎn)品質量控制的在線檢測系統(tǒng)。

圖1為該系統(tǒng)的測量原理圖。激光束經(jīng)擴束后，光束垂直射入一分光棱鏡，反射光射入?yún)⒖济?，?jīng)反射后沿原路返回，形成參考波前；透射光射入被測面，經(jīng)反射后沿原路返回，形成測試波前。參考波前與測試波前經(jīng)分光棱鏡匯合后形成干涉，在觀察接收屏處可以觀察到干涉條紋。

該干涉系統(tǒng)的特點在于用光學車間已有的光學樣板或者經(jīng)過檢驗合格的鏡片、或者客戶提供的樣品來作為參考鏡，采用不同的光學樣片就可以對相應的光學鏡片進行檢測，不受“凹”、“凸”面的限制。光學樣板作為光學元件生產(chǎn)的必需品很容易獲得，如果沒有樣板也可以用經(jīng)過檢驗合格的鏡片、或者客戶提供的樣品，可以滿足測量的需要。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of system

2 系統(tǒng)結構的設計方案

對于這種新型的檢測系統(tǒng)，其特點是可以用來對生產(chǎn)中的沒有下盤的鏡片進行檢測，從而對加工過程起到指導作用，縮短加工時間提高生產(chǎn)率。系統(tǒng)采取的是分振幅型的干涉，通過對干涉場內條紋的數(shù)目、彎曲量來確定被檢物體的面形偏差，由此確定該鏡盤的生產(chǎn)是否達到進入下一道生產(chǎn)工藝的標準。考慮到觀察的方便以及后續(xù)的處理，采用CCD將干涉圖像采集傳輸?shù)诫娔X進行計算和顯示。由于用CCD對圖像進行采集，拍照曝光時間可以很短，因此對振動和溫度變化帶來的影響并不是十分敏感。同時考慮到要更好的防震，干涉儀可以配合防震平臺使用。

2.1 系統(tǒng)結構

圖2 系統(tǒng)結構圖Fig.2 Schematic arrangement of system

球面在線檢測系統(tǒng)的樣機設計方案如圖2所示，先將一個光學樣板靠緊在圈口的上端面上，然后再將一個完全相同的光學樣板（或者檢測后充分相似）夾緊在儀器的右邊。這時開啟激光器，使其射出的平行光通過空間濾波器后入射到擴束鏡，擴束鏡端口裝有可調光闌，通過調節(jié)光闌大小來獲取適合檢測口徑的光束直徑，來適應不同口徑大小的鏡片的檢驗，同時減少雜光對干涉光路的影響。擴束光束入射到分光棱鏡后分成兩束光，一束光沿著光軸X方向射向光學樣板的基準面上，經(jīng)反射后返回，形成參考波前；另一束光沿光軸Y方向射向圈口上的光學樣板的基準面，經(jīng)反射后返回，形成測試波前。參考波前與測試波前經(jīng)分光棱鏡匯合后產(chǎn)生干涉，在觀察接收屏上可以觀察到干涉條紋。

2.2 調試

通過多維調節(jié)裝置（圖2中未標）調節(jié)右邊的光學樣板的光軸與擴束鏡的光束的中心軸線重合，并在中心軸線方向上移動使兩束光束的光程大致相等，在觀察接收屏上可以觀察到干涉條紋。由于采用激光做光源，相干長度足夠長，可在很大的深度范圍內觀察到清晰的干涉條紋。在中心軸線方向上調節(jié)光學樣板觀察干涉條紋，當干涉條紋數(shù)目最少時，此時的位置即為兩塊光學樣板的基準面的頂點距離分光器的中心等間距的位置，固定光學樣板的位置。觀察接收屏沿光學樣板的光軸中心線方向可以前后移動，以便得到合適大小的干涉圖樣。

2.3 測試

將圈口上的光學樣板換成鏡盤上的待測透鏡，圈口上端面的三個定位鋼球可以實現(xiàn)將放置其上的待測透鏡的待測面所在球面的球心處于三個鋼球組成的三角形的幾何中心垂線上。該垂線與擴束鏡的光束的中心軸線重合，并且待測透鏡的待測面所在球面的球心也位于中心軸線位置，無需再次調節(jié)就可以得到干涉條紋。采集此時干涉條紋的圖像并進行特征分析計算，就可以得到待測透鏡的待測面的半徑偏差、像散偏差、局部偏差等。光學樣板的基準面的曲率半徑可以由球徑儀等儀器精確測量得到，由此可以計算得到待測透鏡的待測面的曲率半徑。

3 系統(tǒng)結構的實現(xiàn)

根據(jù)球面在線檢測系統(tǒng)的設計方案，最重要的是要保證光路的正交對稱性?？紤]到實際的應用，樣板尺寸小較易調節(jié)，因此對于該雙光路系統(tǒng)采取固定其中被測件光路，調節(jié)樣板光路來實現(xiàn)雙光路的正交對稱和等光程。

球面在線檢測系統(tǒng)主要由支撐機構、固緊機構、光路調節(jié)機構和圖像采集機構組成。

3.1 固緊機構的設計

分光棱鏡作為整個正交光路的核心，其位置發(fā)生一點點相對改變，都會使得光路系統(tǒng)發(fā)生改變，要保證光路的穩(wěn)定必須對棱鏡進行合理的定位固緊。因此將棱鏡和固緊機構作為獨立的裝配組件通過剛性定位彈性緊固，將其固緊在正交光路的中心并保持穩(wěn)定。

設計方案考慮到結構的穩(wěn)定和安裝定位的方便采用直角分光棱鏡，選取其底面為主定位面，右側面為輔助定位面，用非工作面的前后兩面分別加壓條彈性夾緊，限制各個方向的自由度?？紤]到安裝方便，采用前后通透式的結構，安裝時可以夾持非工作面將棱鏡放入合適位置，而不碰觸工作面；同時前后壓板與分光棱鏡之間添加彈性元件，通過調節(jié)壓板上的螺釘來實現(xiàn)彈性固緊；頂部和左側留出余量使得棱鏡的位置在一定范圍范圍內可調，以保證位置精度的同時降低加工成本。三維定位精度依靠數(shù)控設備的加工精度保證。

3.2 光路調節(jié)機構的設計

系統(tǒng)采取的是正交雙光路結構，這樣可以方便得到等厚干涉。為了使光路調節(jié)簡便、快捷，選擇固定其中的檢測光路，作為等光程調節(jié)過程中的“基準”。

光學鏡片生產(chǎn)過程中主要是通過觀察鏡片與光學樣板之間的產(chǎn)生的干涉條紋，來獲取鏡片的面形偏差，以判斷鏡片是否符合進入下一道工序的標準。這就對調節(jié)機構的精度提出了較高要求。

光學樣板一般都是圓柱形物體，因此采用鏡筒式的裝夾結構對其進行固緊［8］，同時根據(jù)其形狀特征采用了新型的等光程調節(jié)機構，如圖3所示。

圖3 等光程調節(jié)結構Fig.3 Aplanatic regulatory mechanism

3.2.1 等光程調節(jié)結構

考慮到樣板的形狀特征和設計要求，設計了一套螺紋微調節(jié)機構（見圖3），來實現(xiàn)光路中等光程部分的調節(jié)。

實際生產(chǎn)過程中，光學加工車間一般根據(jù)設計者的要求來制作相應的樣板，因此依照樣板的極限尺寸設計了樣板鏡筒，并配合相應的隔圈、壓圈來適應不同尺寸的樣板。將樣板鏡筒裝入有徑向開槽的套筒中，樣板鏡筒通過導釘與套筒關聯(lián)，沿槽撥動導釘，通過觀察條紋的變化，可以找到一個接近等光程的位置實現(xiàn)粗調。

細調主要通過螺旋傳動實現(xiàn)。螺旋傳動不但傳動平穩(wěn)，而且傳動精度高，結合樣板的外形特點，比較適合用于微量調節(jié)。同時在樣板鏡筒外部設計的螺紋微調節(jié)機構，通過旋轉與套筒同心的調節(jié)環(huán)，來實現(xiàn)樣板鏡筒的微量移動。樣板鏡筒的移動量L與調節(jié)環(huán)的轉角α有以下關系：

其中k為螺紋線數(shù)，t為螺距，d為螺紋中徑［9］。

通過選擇不同的螺紋中徑和不同的螺距可以獲得相應的進給量，提高調節(jié)精度。

3.2.2 角度調節(jié)機構

正交雙光路結構不僅要求雙光路到直角棱鏡的分光面的光程相等，還要求檢測光路和樣板光路要正交對稱與分光面，因此在樣板光路與固緊機構連接部位設計了球面萬向調節(jié)機構，可以方便調節(jié)樣板光路使其與檢測光路正交對稱于直角棱鏡的分光面。機構同樣采用了剛性定位彈性固緊。保證檢測機構定位的穩(wěn)定性。

樣機已經(jīng)制作完成，經(jīng)過安裝調試，圖4為樣機采集到的結果圖，圖像清晰、穩(wěn)定，能夠滿足后續(xù)的圖像處理的要求。

圖4 干涉圖像Fig.4 Interference images

4 結 論

基于泰曼－格林原理設計了一種適合生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品進行在線檢測的干涉儀，并對其結構進行了設計。該干涉儀結合光學車間的現(xiàn)有條件，用光學車間里現(xiàn)有的各種不同曲率半徑的光學樣板產(chǎn)生干涉的參考波前，與待測鏡片產(chǎn)生的測試波前產(chǎn)生干涉，通過對干涉圖像進行分析計算，可以測出球面鏡片的面形偏差、局部偏差和曲率半徑，并且可實現(xiàn)快速無損非接觸在線檢測。同時沒有采用測量導軌，使儀器小型化。設計專用的調節(jié)機構，調節(jié)方便。通過實驗證明該儀器不但較容易獲取干涉圖像，而且圖像清晰、穩(wěn)定。通過該干涉儀的應用，可以大大地提高生產(chǎn)效率，降低成本，適應鏡片大量生產(chǎn)的需要。

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