制造光學(xué)元件所用到的測試測量方法

　　制造光學(xué)元件時， 常常需要得到十分精確的平面、球面等， 為此我們必須檢查元件表面的質(zhì)量，最簡單的方法是用樣板檢驗(yàn)。我們通過觀察干涉條紋的形狀來判斷被檢表面的缺陷，從而進(jìn)行相應(yīng)的磨制， 最終達(dá)到我們的標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　在制造光學(xué)元件時，常常需要得到十分精確的平面、球面等，為此我們必須檢查元件表面的質(zhì)量，最簡單的方法是用樣板檢驗(yàn)。下面筆者對此問題做以分析和探討。

　　1.檢查平面的平整度

　　如圖1(a)所示，若被檢查的表面A是不規(guī)則的平面，則可在A上放一標(biāo)準(zhǔn)樣板B，使其一端P相接觸，另一端Q處墊一薄片，這樣便在A、B兩表面間得到一個空氣的劈形薄膜。若薄膜很薄，光在薄膜表面的入射角又不大(通常我們采用單色光垂直入射)的情況下，等厚條紋定域在膜的表面，故眼睛注視薄膜表面就可看到等厚干涉條紋，通過觀察干涉條紋形狀來判斷被檢表面的缺陷，從而進(jìn)行磨制以最終達(dá)到要求。

　　1.1 若觀察到的等厚條紋是如圖 1(b)所示的平行于尖劈棱邊的等間距的直線條紋，則表明表面是精確的平面。

　　1.2 觀察到的等厚條紋是如圖1(c)所示有局部彎向棱邊，這表明在工件表面的相應(yīng)位置處有一條垂直于棱邊的不平紋路，下面我們做以具體分析，我們知道，同一等厚條紋應(yīng)對應(yīng)相同的空氣厚度，所以在同一條紋上，彎向棱邊的部分和直的部分所對應(yīng)的空氣厚度應(yīng)該相等。本來越靠近棱邊膜的厚度應(yīng)越小，而現(xiàn)在在同一條紋上近棱邊處和遠(yuǎn)棱邊處厚度相等，說明工件表面的紋路是凹下去的，即在工件表面有一垂直于棱邊的凹痕。沒凹痕的深度為△h，由圖(1c)可知 AD/AB=AE/AC，而AC為相鄰干涉條紋對應(yīng)的空氣厚度之差，即為λ /2，而 AE 即使凹痕的深度△h，故a/b=△ h/(λ /2)，即△h=(a/b)(λ/2)。同理，若觀察到的等厚條紋有局部遠(yuǎn)離棱邊方向發(fā)生彎曲，如圖1(d)所示，則表明工件表面有一垂直于棱邊的凸痕，凸起的高度應(yīng)為?h=(a/b)(λ/2)。

　　1.3 若觀察到的條紋如圖1(e)所示，干涉條紋全部彎向棱邊，這表明被檢表面是一很接近平面的凹球面。對于這種情形，我們可以看作是圖1(c)所示的情形在整個工件表面的延展，其不平度即工件表面偏離平面的最大偏差，在這種情形下，也即是被檢表面A中心凹下的深度△ h=(a/b)(λ/2)。相反，若觀察到如圖1(e)所示的干涉條紋，條紋全部沿遠(yuǎn)離棱邊方向發(fā)生彎曲，則被檢表面是一很接近平面的凸球面。其凸起的高度△h=(a/b)(λ/2)。

　　2.檢查球面表面

　　常用的儀器中，透鏡表面多是球面或平面。在磨制時，也要檢查其完善程度和曲率半徑是否符合要求。方法和前面類似，是將所磨制的球面與玻璃樣板進(jìn)行比較，玻璃樣板是一塊硬質(zhì)玻璃板，它的一個表面是符合設(shè)計(jì)要求的球面，另一個表面是平面。把透鏡和樣板比較時，樣板的作用類似于檢查平面時用的標(biāo)準(zhǔn)平面玻璃板。若要磨制的透鏡表面A是凸面，則用凹面樣板B放在透鏡上，用單色光垂直照射，并觀察兩者之間的空氣膜形成的干涉條紋，通過條紋形狀來判斷球面的缺陷。

　　1 當(dāng)樣板B 正放在A 面上不傾斜時，如圖2(a)所示，在視場中未看到任何條紋;而當(dāng)樣板略微傾斜時，如圖2(b)所示，觀察到等間距的平行直條紋，則說明被檢表面A完全符合設(shè)計(jì)要求。若當(dāng)樣板B略微傾斜時，觀察到如圖2(c)所示的條紋，則表明被檢表面A半徑準(zhǔn)確，但面上有一條沿CD方向的凹痕，其凹痕深度為△h= (a/b)(λ/2)。

　　2 當(dāng)樣板 B 正放在A上時，觀察到牛頓環(huán)，如圖 2(d)所示的明暗相間不等間距的同心圓環(huán)，則表明球面半徑有誤差。由牛頓環(huán)的原理知，兩表面(被檢表面與樣板表面)之間的空氣隙形成一個厚度變化的空氣膜，當(dāng)厚度為 j(λ /2)時，就觀察到暗紋;當(dāng)厚度為(j+1/2)(λ /2)時，就觀察到亮紋。

　　因此，兩相鄰暗紋之間空氣膜的厚度相差λ /2，每一暗條紋的出現(xiàn)表明被檢表面與標(biāo)準(zhǔn)樣板間的偏差增加λ /2。故測出暗條紋的數(shù)目N就可知透鏡表面與玻璃樣板的半徑偏差△ d=N(λ/2)。

　　當(dāng)觀察到圖 2(e)所示的條紋時，說明球面既有不規(guī)則的區(qū)域又有半徑誤差。這兩種缺陷都會影響儀器的成像質(zhì)量，但比較起來，由于半徑誤差而產(chǎn)生的影響較小。因此磨　的透鏡表面在半徑上可以允許有一些偏差。通常，對于中等精度的光學(xué)元件，如果用樣板檢查時看到整個透鏡表面有3-5條圓形條紋，還是允許的。但是透鏡表面的規(guī)則程度要求則較高，因其對成像質(zhì)量的影響比較嚴(yán)重。

　　根據(jù)以上對條紋形狀的分析，我們可以得知被檢表面存在的缺陷，從而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的磨制，最終達(dá)到我們所需要的標(biāo)準(zhǔn)的平面或球面。