CN1060268C - 激光双焦干涉球面轮廓仪 - Google Patents

Abstract

一种激光双焦干涉球面轮廓仪，其特征是设有双焦透镜组4和五维扫描工作台6。同现有技术比较，其优点是仪器抗干扰能力强，适用范围广，检测精度高，如能对各种反射率的球面微观轮廓和平面微观轮廓进行精密检测，纵向分辨率为0.1nm，横向分辨率为1μm。

Description

激光双焦干涉球面轮廓仪

本发明涉及一种采用光学测量方法测量不规则表面微观轮廓的计量仪器，特别涉及一种激光双焦干涉球面轮廓仪。

现有的激光干涉表面轮廓仪，由光学系统，工作台及计算机数据采集处理装置组成，用于对表面微观轮廓进行非接触无损检测，可达到纵向分辨率为亚纳米级，横向分辨率为微米级，数据由计算机采集和处理，可显示表面轮廓的各种参数及二维或三维表面微观轮廓。它的缺陷一是难以对曲率半径变化较大的球面表面的微观轮廓进行非接触精密检测，尤其是无法对光学透镜的微观轮廓进行检测；二是干涉系统对外界振动及气流扰动的抗干扰能力差，相关电路对电子噪声及光噪声的抑制能力较差，测量精度及分辨率受到影响。

本发明的目的在于提供一种结构新颖的激光双焦干涉球面轮廓仪，能克服现有技术所存在的缺陷，其干涉系统及电路均具有很强的抗干扰能力和抗噪能力，无需另加隔振装置，可对各种反射率的球面微观轮廓和平面微观轮廓进行精确检测，仪器的纵向分辨率为±0．1nm，横向分辨率为1μm，适用于精密量块、滚珠、磁盘、光盘、透镜、激光谐振腔片表面的微观轮廓作精密检测。

一种激光双焦干涉球面轮廓仪，包括光学系统，扫描工作台及计算机数据采集处理装置，其特征是该轮廓仪由激光器S、1／2玻片B、扩束准直器1、反射镜2和9、分束棱镜3、双焦透镜组4、显微物镜5、扫描工作台6、分束镜7和8、1／4玻片B′、检偏器P1和P2及P3、物镜C1和C2及C3、观察屏M、光电探测器D2和D3、前置放大器F2和F3、A／D变换器G，计算机J、驱动器T1和T2构成，激光器S发出的激光经1／2玻片B、扩束准直器1、反射镜2后成为通光口径Ф8mm的线偏振光，通过双焦透镜组4被分为偏振方向成正交的寻常光线O光和异常光线E光，且分别聚焦在光轴的不同位置上，作为测量光束的O光由显微物镜5会聚在被测球面Q上，作为参考光束的E光由显微物镜5会聚在球心处；O光和E光经被测表面反射后返回，通过分束棱镜3、分束镜7分成两路，一路经检偏器P1、物镜C1后在观察屏M上形成干涉条纹，另一路经1／4玻片B及光轴正交的检偏器P2和P3形成相位差π的两组干涉条纹，分别经过物镜C2和C3后被光电探测器D2和D3转换为电信号，电信号经前置放大器F2和F3、A／D变换器G送入计算机进行电子共模抑制处理；工作台6是具有三维移动和二维转动的扫描工作台，被测球面Q的球心和工作台扫描转轴与光轴交点三者必须重合，计算机J按照预先设定的指令分别通过驱动器T1和T2和相应的步进马达带动工作台扫描转轴和检偏器P2和P3运动，被测球面上各点的轮廓高度依据公式 $\mathrm{\Δh}=\frac{\mathrm{\λ\ΔV}}{4\mathrm{\π}(V_1+V_2)}$ 由计算机显示并输出，式中Δh为表面轮廓高度，V₁、V₂分别为两路光电信号的幅值，ΔV=V₁—V₂，λ为波长；所述的双焦透镜组4由一个方解石晶体双折射负透镜和2个光学玻璃正透镜胶合而成，其结构参数为：表面曲率r₁=51．9mm，r₂=15mm，r₃=13．75mm，r₄=1000mm，透镜厚度d₁=5mm，d₂=3mm，d₃=5mm，E光焦距f_e=37．7，O光焦距f_o=∞。

仪器的调试步骤：(1)绕光轴适当旋转1／2玻片B，使O光和E光的光强相等。(2)为使O光会聚在被测表面上，E光会聚在被测球面的球心处，双焦透镜组4和显微物镜5可作沿光轴移动以调节两者间的间距d，该间距d的大小与被测球面的曲率半径及显微物镜5的放大倍率大小有关，d＝Δ²／Rβ²，式中Δ为显微物镜的筒长，通常Δ=160mm，R为被测球面的曲率半径，β为显微物镜的放大率，显而易见，当曲率半径R减少时，d值迅速增大。为避免d值过大，应选用适当放大倍率的显微物镜，如Δ=160mm，R=5mm，β=20时，则d=12．8mm；又如Δ=160mm，R≤1mm时，选用β=40，则d=16mm，(3)工作台6作三维移动，使被测球面的球心与光轴及转动中心重合，以保证在扫描采样过程中，干涉条纹的间隔和方向不变。

同现有技术比较，本发明的突出优点是：

1．设计了结构新型的双焦透镜组4和具有五维运动功能的扫描工作台，使仪器具有强的抗干扰性能，不需要设置耗资较大的隔振装置。

2．适用范围广，能对各种反射率的球面微观轮廓和平面微观轮廓进行检测。

3．无需外加参考表面，检测精度高，仪器纵向分辨率为0．1nm，横向分辨率为1μm。

以上的突出优点是现有的表面轮廓仪无法达到的。

图1为本发明的激光双焦干涉表面轮廓仪的结构示意图。

图2为双焦透镜组4的结构图。

图3为实施例1实测结果打印显示图。

图4为实施例2实测结果打印显示图。

实施例1：

一种激光双焦干涉球面轮廓仪，采用图1所示的结构，被测零件是曲率半径R=7．700mm的钢球，激光器S采用输出功率为3mw的He—Ne激光器，双焦透镜组4由一个方解石双折射负透镜和2个分别布置在负透镜两侧的光学玻璃正透镜胶合而成，显微物镜5放大倍率为20倍，工作台6含有三个座标方向平移机构和一个绕被测球面球心的二维转动机构，调节至O光会聚在被测球面上，E光会聚在被测球面的球心处，1／2玻片绕光轴作适当旋转，使O光和E光的光强相等，在观察屏M上观察到干涉条纹，光电探测器D2、D3分别将光信号转换为电信号，经前置放大器F2、F3、和A／D变换器G变换后送入计算机J，被测球面Q的二维运动和检偏器P2、P3转动受计算机J通过驱动器T1、T2控制。检测结果：显示在图3上，图中横座标X的刻度格值为10μm，纵座标Y的刻度格值为0．004μm，粗糙度平均偏差Ra=0．00399μm，粗糙度均方根平均偏差Rq=0．00504μm，峰谷偏差Rt=0．02697μm。

实施例2：

检测曲率半径R=15．00mm钢球表面的微观轮廓参数，检测方案与实施例1相同，检测结果示于图4，横座标X每刻度格值表示10μm，纵座标Y每刻度格值表示0．002μm，粗糙度平均偏差Ra=0．00329μm，粗糙度均方根偏差Rq=0．00379μm，峰谷偏差Rt=0／01229μm。反复检测，重复性良好。

Claims (2)

1．一种激光双焦干涉球面轮廓仪，包括光学系统，扫描工作台，计算机数据采集处理装置，其特征在于：该轮廓仪由激光器(S)、1／2玻片(B)、扩束准直器(1)、反射镜(2，9)、分束棱镜(3)、双焦透镜组(4)、显微物镜(5)、扫描工作台(6)、分束镜(7，8)、1／4玻片(B′)、检偏器(P1，P2，P3)、物镜(C1，C2，C3)、观察屏(M)、光电探测器(D2，D3)、前置放大器(F2，F3)、A／D变换器(G)、计算机(J)、驱动器(T1，T2)构成，激光器(S)发出的激光经1／2玻片(B)、扩束准直器(1)、反射镜(2)后成为通光口径为Ф8mm的线偏振光，通过双焦透镜组(4)被分为偏振方向成正交的寻常光线O光和异常光线E光，且分别聚焦在光轴的不同位置上，作为测量光束的O光由显微物镜(5)会聚在被测球面(Q)上，作为参考光束的E光由显微物镜(5)会聚在被测球面的球心处；O光和E光经被测表面反射后返回，通过分束棱镜(3)、分束镜(7)分成两路，一路经检偏器(P1)、物镜(C1)后在观察屏(M)上形成干涉条纹，另一路经1／4玻片(B′)及光轴正交的检偏器(P2，P3)形成相位差π的两组干涉条纹，分别经过物镜(C2，C3)后被光电探测器(D2，D3)转换为电信号，电信号经前置放大器(F2，F3)、A／D变换器(G)送入计算机进行电子共模抑制处理；工作台(6)是具有三维移动和二维转动的扫描工作台，被测球面(Q)的球心和工作台扫描转轴与光轴交点三者必须重合，计算机(J)按照预先设定的指令分别通过驱动器(T1，T2)和相应的步进马达带动工作台扫描转轴和检偏器(P2，P3)运动，被测球面上各点的轮廓高度依据公式 $\mathrm{\Δh}=\frac{\mathrm{\λ\ΔV}}{4\mathrm{\π}(V_1+V_2)}$ 由计算机显示并输出，式中Δh为表面轮廓高度，V₁、V₂分别为两路光电信号的幅值，ΔV=V₁-V₂，λ为波长。

2．根据权利要求1的轮廓仪，其特征在于：所述的双焦透镜组(4)由一个方解石晶体双折射负透镜和2个光学玻璃正透镜胶合而成，其结构参数为：表面曲率r₁=51．9mm，r₂=15mm，r₃=13．75mm，r₄=1000mm，透镜厚度d₁=5mm，d₂=3mm，d₃=5mm，E光焦距f_e=37．7，O光焦距f_o=∞。

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