光学零部件的基本量测量

1、第三章光学零部件的基本量测量 3-1球面曲率半径的测量概述工厂通过看光圈检验球面面形零件基准样板工作样板样板根据不同要求分为A,B两级基准样板通过测曲率半径检验2mm 550,37.50.06%42阴影法1000mrW RW几十米 刀口仪0.05%自准直法 R几十米自准直望远镜R w 500mm自准直显微镜10 103m1%凸 0 25mm凹 0 500mm 0.002 3-1-1机械法一、测量原理R2 =r2 _(R_h)22rR 2hh = R _ , R2 _ r2为防止磨损环口上放三个钢球；（r + P）2 =r2 +R-（h - P）2（凸） （R P）2 =r2 +R-（h+ P）

2、2（凹）2R丿-2h、测量方法和装置1、装置圆环球经仪2、方法1) 样板A平板玻璃放在还口上读取a1B球面放在还口上读取a2C 计算 h=a2-a12r2h(2)标准样板(对板)A凸面放在环口上读取a1B凹面放在环口上读取a2C 计算 2h=a2-a1P2rr 二 r2 厂2_r2(R -r )h = R 2Rd2h 23、测量误差分析:Rr.:r工，1.:h2 2h卜2冷（1-）2町22+ 550,37.50.06%R4、环口选择R(1 - 1 - K2)AcrR(1 _1 -K2)(1 _ .1 _K2)f1(K)ch2r2 2h2二1 二K2厂-f2(K)1 - J - K2=,f12(

3、K)J2 f/(Kh2fl ( K), f2 ( K )在定义域内为单调函数有端值00. 250. 50. 751f1（ K）oo7. 883. 732. 201. 00f2（ K ）oo30. 56. 641. 950K取0.75较合适5、优缺点1) 优点：精度高、测量范围宽、零件不用抛光、操作方便2) 缺点：磨损 3-1-2自准直法一、准直望远镜法1、测量原理-R d - -x - fR“ x f =d （丄）f =d f（f .*X，x*当d R,x，时2、测量装置及方法1) 、装置：带有伸缩筒的自准直望远镜2) 、方法A用平面反射镜自准读取 a1B用被测球面自准读取a2 c 计算 x

4、= a1 - a2R-f（f x）3、误差分析cRc甘1，:R.:R.:f2f x；， A =- x:x2X二 r 二-A 打B2 2 飞 d2lg（-R） =2lg f _ lg x dR 2df dx=r 其中 2匚R:二 f -丄二 0.1%二X主要有三个因素决定（1）纵向调焦误差-X1调焦误差70.2创、2 丄/ 4几、2 （市）（时）SD（屈光度）8-2）crcn自准时2二代）（302）2调焦两次7=-2；.D2 (0.29)2( 4 )23D2-SD1CT *X1SD11000（2）平面镜的面形误差- SD2Ro4N D2X2f 2 _4N， f 21000SD2 一 一 D2 1

5、000修正丄凹面取正凸面取负RR1R0（3 ）伸缩筒格值误差厂-0.001mmX2例：用自准直望远镜测一透镜曲率半径已知D=50mm,D/f 0=1/10 r =20平面镜口径D0=60mm,N=0.2（在 50mm 范围内）测得 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 叽3 502)=1.70 10(1/m)二0.5&.一 Fd)取清晰度法220 (5010.58 -6= _6.610 虫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 =-亚=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、优缺点（1）优点：可测大曲率半径、非接触测量、设备简单（2）缺点：精度低（0.2%10% ）、只适用于大曲率半径、被测零件要抛光二、准直显微镜法1、测量原理2、测量方法和装置（1）装置：光学球经仪（2）方法：A显微镜的准球心看到自准反射象记下读数alB显微镜的准球面看到自准反射象记下读数a2C 计算 R

8、=a2-a1+xo3、误差分析A夹持器座定位误差 二1 = 3.0B刻尺刻线误差二2 =0.5mC投影读数器误差 二30.5m一6 L 0.07、2/ nkTD显微镜两次调焦（清晰度法）的标准偏差二4 一 -（）2（2）2（mm）6 2FNA3NA2-4 ,NA=0.1,=0.56m,】m =10 ： =1例：用光学求经仪测曲率半径，已知：求调焦误差可见提高和可提高测量精度但1、大大工作距小凸面测量受限3、零件口径D/R小时NA不能充分利用达不到提高精度的目的反而会因放大率大光束孔径 小使视场暗降低调焦精度4、优缺点（1）优点：非接触测量表面不会磨损、可测小曲率半径、精度高 二R （ 0.00

9、10.002）（2）缺点:表面必须抛光、测量范围小（凸大于 25mm凹小于500mm ）、仪器调整 复杂 3-1-3阴影法1、测量原理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测量装置及方法（1）装置：刀口仪（1）测量方法A使刀口位于球心处B量LC计算R = L 4L测量误差分析A米尺误差L = (0.5 1mm)B调焦误差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可见调焦误差很小不是主要矛盾R = RR2 = ：R| 二 0.5mmR 0.5% = 0.04% 13000.05%R精度优缺点（1）（2）测面形精度：720自准740检测球面平面、非球面面形偏差、 大口径 光学面抛修的工艺检验、检凹球面镜的面形偏差1 检测原理1）理想的会聚球面波判别准则：阴影移动与刀口切入方向相同，刀口位于光束会聚点之4、5、优点：非接触测量、可测大曲率半径 缺点：被测面必须抛光、只能测凹面址用1上1?圧L第卅击2 事诧诉牡It）。由此判别待检面的面形偏差的性质、程度和K取2%时，算得相应的

11、极限灵敏度分别表示为前；阴影移动与刀口切入方向相反，刀口位于光束会聚点之后；阴影图呈均匀的半暗状态， 刀口刚好切至光束会聚点处。2 ）若待检面存在局部偏差和带区误差， 待检面存在的局部偏差很容易从阴 影图中发现。 当刀口刚好切至波面会聚点时，则在半暗背景中出现局部偏差的轮廓M若M中的阴影移动方向与刀口切入方向相同，则 M较波面其它部分是凸起的；反之， M是相对凹下的。如待检面的面形存在带区误差，为使阴影图反映出的波面形状与实际波面最接近，也就是说能将各环带的波差都反应出来，在刀口切至光轴的同时，应仔细地轴向移动刀口，直至呈现出最复杂的阴影图止，如图 38所示。2 .检测方法1） 按检测要求的相

12、对位置放置刀口仪及待检镜，使刀口大致垂直于待检面的 光轴。2）依据待检面的孔径、半径以及波差对称与否，合理选择星孔大小或狭缝宽度，并将星孔S射出的光束调均匀。沿轴向移动刀口，由刃口处的纸屏拦 得的光斑逐渐变小，并达到清晰。此时，象S已位于刃口处。3）再随着刃口的切入而仔细地调刀口轴向位置，使观察到的阴影图最复杂（刀口刚好切到最佳象点处 范围。3 .检测灵敏度刀口偏离球心AR而使阴影图产 生的亮度对比度，刚好等于人眼的对 比灵敏度时，人眼仍将看到“平面影 象”的阴影图。此时，以 0为球心的 波面AB相对以0 为球心的参考波面 AB 有一波差；。故可用 职或S表示 刀口阴影检测的灵敏度。用狭缝光源

13、（狭缝宽为b），人眼 对比灵敏度K取5%时，刀口 阴影检测灵敏度分别表示为RD:R = 0.095b(), j =0.012b()DR当人眼判别亮度差的极限对比灵敏度.R =0.039b(E), 1 =0.0049b(_D)DR用星孔光源（星孔半径为r） , K取5%时刀口阴影检测灵敏度分别为.R| =0.30r（）, 1 =0.038r（D）DR同样若K取2%,可算得刀口阴影检测的极限灵敏度分别为.R =0.17r（R）, 1 =0.020r（D）DR灵敏度与光源大小及光源形状选择有关， 自准直光路的，检测灵敏度可达几十分之一波 长的量级。对非自准直光路的其检测灵敏度要降低一半。当光源过小时

14、，随着衍射效应增强、阴影图亮度的降低以及定值的增大，检测灵敏度反而要降低，故选择光源尺寸时要恰到好处。二、检平面镜的面形偏差刀口阴影法检平面镜，须有一块局部偏差与象散均很小的标准凹球面反射镜作为辅助工 具，共同组成一自准直检测光路，如图所示。其D/R值一般选1/8 一 I /11。待检平面镜，尽量靠 近镜M M的光轴与平面镜法线夹角大致成45角。刀口放在镜面M的球心附近，L为刀口到平面镜中点 G的距离。若待检面是完好的平面， 当刀口切至其球心时， 可看到视 场瞬间变半暗状态。如待检平面存在带区误差或 局部偏差，则会在半暗阴影图中相应部位上出现亮暗不均匀的 阴影；由于检测时光线在平面上斜反射两次

15、，故 检局部偏差的精度提高近一倍。若待检平面是个曲率半径较大的球面，则光源S对该球面相当是轴外物点，自准回来的波面将是个象散图3-11检测半面锤M标准凹球面鏡* 斤待检卩面链暗，贝U表明刀口刚好切到子午焦线处,记下刀口仪的轴向位置读数。然后将刃口转至与图面波面，并在刀口附近形成相应的子午焦线 （垂直图面）和弧天焦 线（图面内）。检验时，将刃口平行图面放置， 刀口自右向左切 割光束。同时轴向调节刀口仪位置。 若见到视场瞬间全部呈半宙皿心蔓点間忸检静二反非球面 1待检腾球面|昏一持检犁曲ah 3-荷检拋输面才4-标砂面僅 $标笊平面輦平行，自上而下切割光束，并轴向移动刀口，又可找到视场瞬间全部呈半暗的位置。这表明刀口刚好切到弧矢焦线处。在刀口仪上再次读得一轴向位置读数，两读数之差即为象散Yo,其大小反映了待检平面的凸凹程度，其正负反映了待检面的凸凹特性。如子午焦线靠近待检面一边，则待检面是微凹的平面。反之，弧矢焦线靠近待检面一边，则待检面是微