專利名稱：激光雙焦干涉球面輪廓儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用光學(xué)測量方法測量不規(guī)則表面微觀輪廓的計(jì)量儀器，特別涉及一種激光雙焦干涉球面輪廓儀。
現(xiàn)有的激光干涉表面輪廓儀，由光學(xué)系統(tǒng)，工作臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理裝置組成，用于對(duì)表面微觀輪廓進(jìn)行非接觸無損檢測，可達(dá)到縱向分辨率為亞納米級(jí)，橫向分辨率為微米級(jí)，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集和處理，可顯示表面輪廓的各種參數(shù)及二維或三維表面微觀輪廓。它的缺陷一是難以對(duì)曲率半徑變化較大的球面表面的微觀輪廓進(jìn)行非接觸精密檢測，尤其是無法對(duì)光學(xué)透鏡的微觀輪廓進(jìn)行檢測；二是干涉系統(tǒng)對(duì)外界振動(dòng)及氣流擾動(dòng)的抗干擾能力差，相關(guān)電路對(duì)電子噪聲及光噪聲的抑制能力較差，測量精度及分辨率受到影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)新穎的激光雙焦干涉球面輪廓儀，能克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，其干涉系統(tǒng)及電路均具有很強(qiáng)的抗干擾能力和抗噪能力，無需另加隔振裝置，可對(duì)各種反射率的球面微觀輪廓和平面微觀輪廓進(jìn)行精確檢測，儀器的縱向分辨率為±0.1nm，橫向分辨率為1μm，適用于精密量塊、滾珠、磁盤、光盤、透鏡、激光諧振腔片表面的微觀輪廓作精密檢測。
一種激光雙焦干涉球面輪廓儀，包括光學(xué)系統(tǒng)，掃描工作臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理裝置，其特征是該輪廓儀由激光器S、1/2玻片B、擴(kuò)束準(zhǔn)直器1、反射鏡2和9、分束棱鏡3、雙焦透鏡組4、顯微物鏡5、掃描工作臺(tái)6、分束鏡7和8、1/4玻片B′、檢偏器P1和P2及P3、物鏡C1和C2及C3、觀察屏M、光電探測器D2和D3、前置放大器F2和F3、A/D變換器G，計(jì)算機(jī)J、驅(qū)動(dòng)器T1和T2構(gòu)成，激光器S發(fā)出的激光經(jīng)1/2玻片B、擴(kuò)束準(zhǔn)直器1、反射鏡2后成為通光口徑Φ8mm的線偏振光，通過雙焦透鏡組4被分為偏振方向成正交的尋常光線O光和異常光線E光，且分別聚焦在光軸的不同位置上，作為測量光束的O光由顯微物鏡5會(huì)聚在被測球面Q上，作為參考光束的E光由顯微物鏡5會(huì)聚在球心處；O光和E光經(jīng)被測表面反射后返回，通過分束棱鏡3、分束鏡7分成兩路，一路經(jīng)檢偏器P1、物鏡C1后在觀察屏M上形成干涉條紋，另一路經(jīng)1/4玻片B′及光軸正交的檢偏器P2和P3形成相位差π的兩組干涉條紋，分別經(jīng)過物鏡C2和C3后被光電探測器D2和D3轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)前置放大器F2和F3、A/D變換器G送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子共模抑制處理；工作臺(tái)6是具有三維移動(dòng)和二維轉(zhuǎn)動(dòng)的掃描工作臺(tái)，被測球面Q的球心和工作臺(tái)掃描轉(zhuǎn)軸與光軸交點(diǎn)三者必須重合，計(jì)算機(jī)J按照預(yù)先設(shè)定的指令分別通過驅(qū)動(dòng)器T1和T2和相應(yīng)的步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)工作臺(tái)掃描轉(zhuǎn)軸和檢偏器P2和P3運(yùn)動(dòng)，被測球面上各點(diǎn)的輪廓高度依據(jù)公式Δh=λΔV4π(V1+V2)]]>由計(jì)算機(jī)顯示并輸出，式中Δh為表面輪廓高度，V1、V2分別為兩路光電信號(hào)的幅值，ΔV＝V1-V2，λ為波長；所述的雙焦透鏡組4由一個(gè)方解石晶體雙折射負(fù)透鏡和2個(gè)光學(xué)玻璃正透鏡膠合而成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為表面曲率r1＝51.9mm，r2＝15mm，r3＝13.75mm，r4＝1000mm，透鏡厚度d1＝5mm，d2＝3mm，d3＝5mm，E光焦距fe＝37.7，O光焦距fo＝∞。
儀器的調(diào)試步驟(1)繞光軸適當(dāng)旋轉(zhuǎn)1/2玻片B，使O光和E光的光強(qiáng)相等。(2)為使O光會(huì)聚在被測表面上，E光會(huì)聚在被測球面的球心處，雙焦透鏡組4和顯微物鏡5可作沿光軸移動(dòng)以調(diào)節(jié)兩者間的間距d，該間距d的大小與被測球面的曲率半徑及顯微物鏡5的放大倍率大小有關(guān)，d＝Δ2/Rβ2，式中Δ為顯微物鏡的筒長，通常Δ＝160mm，R為被測球面的曲率半徑，β為顯微物鏡的放大率，顯而易見，當(dāng)曲率半徑R減少時(shí)，d值迅速增大。為避免d值過大，應(yīng)選用適當(dāng)放大倍率的顯微物鏡，如Δ＝160mm，R＝5mm，β＝20時(shí)，則d＝12.8mm；又如Δ＝160mm，R≤1mm時(shí)，選用β＝40，則d＝16mm。(3)工作臺(tái)6作三維移動(dòng)，使被測球面的球心與光軸及轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，以保證在掃描采樣過程中，干涉條紋的間隔和方向不變。
同現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是1.設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)新型的雙焦透鏡組4和具有五維運(yùn)動(dòng)功能的掃描工作臺(tái)，使儀器具有強(qiáng)的抗干擾性能，不需要設(shè)置耗資較大的隔振裝置。
2.適用范圍廣，能對(duì)各種反射率的球面微觀輪廓和平面微觀輪廓進(jìn)行檢測。
3.無需外加參考表面，檢測精度高，儀器縱向分辨率為0.1nm，橫向分辨率為1μm。
以上的突出優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有的表面輪廓儀無法達(dá)到的。


圖1為本發(fā)明的激光雙焦干涉表面輪廓儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為雙焦透鏡組4的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為實(shí)施例1實(shí)測結(jié)果打印顯示圖。
圖4為實(shí)施例2實(shí)測結(jié)果打印顯示圖。
實(shí)施例1一種激光雙焦干涉球面輪廓儀，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，被測零件是曲率半徑R＝7.700mm的鋼球，激光器S采用輸出功率為3mw的He-Ne激光器，雙焦透鏡組4由一個(gè)方解石雙折射負(fù)透鏡和2個(gè)分別布置在負(fù)透鏡兩側(cè)的光學(xué)玻璃正透鏡膠合而成，顯微物鏡5放大倍率為20倍，工作臺(tái)6含有三個(gè)座標(biāo)方向平移機(jī)構(gòu)和一個(gè)繞被測球面球心的二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)至O光會(huì)聚在被測球面上，E光會(huì)聚在被測球面的球心處，1/2玻片繞光軸作適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，使O光和E光的光強(qiáng)相等，在觀察屏M上觀察到干涉條紋，光電探測器D2、D3分別將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器F2、F3、和A/D變換器G變換后送入計(jì)算機(jī)J，被測球面Q的二維運(yùn)動(dòng)和檢偏器P2、P3轉(zhuǎn)動(dòng)受計(jì)算機(jī)J通過驅(qū)動(dòng)器T1、T2控制。檢測結(jié)果顯示在圖3上，圖中橫座標(biāo)X的刻度格值為10μm，縱座標(biāo)Y的刻度格值為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。
實(shí)施例2檢測曲率半徑R＝15.00mm鋼球表面的微觀輪廓參數(shù)，檢測方案與實(shí)施例1相同，檢測結(jié)果示于圖4，橫座標(biāo)X每刻度格值表示10μm，縱座標(biāo)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。反復(fù)檢測，重復(fù)性良好。
權(quán)利要求
1.一種激光雙焦干涉球面輪廓儀，包括光學(xué)系統(tǒng)，掃描工作臺(tái)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理裝置，其特征在于該輪廓儀由激光器(S)、1/2玻片(B)、擴(kuò)束準(zhǔn)直器(1)、反射鏡(2)(9)、分束棱鏡(3)、雙焦透鏡組(4)、顯微物鏡(5)、掃描工作臺(tái)(6)、分束鏡(7)(8)、1/4玻片(B′)、檢偏器(P1P2)(P3)、物鏡(C1)(C2)(C3)、觀察屏(M)、光電探測器(D2)(D3)、前置放大器(F2)(F3)、A/D變換器(G)，計(jì)算機(jī)(J)、驅(qū)動(dòng)器(T1)(T2)構(gòu)成，激光器(S)發(fā)出的激光經(jīng)1/2玻片(B)、擴(kuò)束準(zhǔn)直器(1)、反射鏡(2)后成為通光口徑為Φ8mm的線偏振光，通過雙焦透鏡組(4)被分為偏振方向成正交的尋常光線O光和異常光線E光，且分別聚焦在光軸的不同位置上，作為測量光束的O光由顯微物鏡(5)會(huì)聚在被測球面(Q)上，作為參考光束的E光由顯微物鏡(5)會(huì)聚在被測球面的球心處；O光和E光經(jīng)被測表面反射后返回，通過分束棱鏡(3)、分束鏡(7)分成兩路，一路經(jīng)檢偏器(P1)、物鏡(C1)后在觀察屏(M)上形成干涉條紋，另一路經(jīng)1/4玻片(B′)及光軸正交的檢偏器(P2)(P3)形成相位差π的兩組干涉條紋，分別經(jīng)過物鏡(C2)(C3)后被光電探測器(D2)(D3)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)前置放大器(F2)(F3)、A/D變換器(G)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子共模抑制處理；工作臺(tái)(6)是具有三維移動(dòng)和二維轉(zhuǎn)動(dòng)的掃描工作臺(tái)，被測球面(Q)的球心和工作臺(tái)掃描轉(zhuǎn)軸與光軸交點(diǎn)三者必須重合，計(jì)算機(jī)(J)按照預(yù)先設(shè)定的指令分別通過驅(qū)動(dòng)器(T1)(T2)和相應(yīng)的步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)工作臺(tái)掃描轉(zhuǎn)軸和檢偏器(P2)(P3)運(yùn)動(dòng)，被測球面上各點(diǎn)的輪廓高度依據(jù)公式Δh=λΔV4π(V1+V2)]]>由計(jì)算機(jī)顯示并輸出，式中Δh為表面輪廓高度，V1、V2分別為兩路光電信號(hào)的幅值，ΔV＝V1-V2，λ為波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的輪廓儀，其特征在于所述的雙焦透鏡組(4)由一個(gè)方解石晶體雙折射負(fù)透鏡和2個(gè)光學(xué)玻璃正透鏡膠合而成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為表面曲率r1＝51.9mm，r2＝15mm，r3＝13.75mm，r4＝1000mm，透鏡厚度d1＝5mm，d2＝3mm，d3＝5mm，E光焦距fe＝37.7，O光焦距fo＝∞。
全文摘要
一種激光雙焦干涉球面輪廓儀,共特征是設(shè)有雙焦透鏡組4和五維掃描工作臺(tái)6。同現(xiàn)有技術(shù)比較,其優(yōu)點(diǎn)是儀器抗干擾能力強(qiáng),適用范圍廣,檢測精度高,如能對(duì)各種反射率的球面微觀輪廓和平面微觀輪廓進(jìn)行精密檢測,縱向分辨率為0.1nm,橫向分辨率為1μm。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1193728SQ9811063
公開日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1998年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月21日
發(fā)明者卓永模, 楊甬英, 徐敏, 張為權(quán) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)