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薄膜干涉在檢查光學元件表面時應用的分析與探討

2012-12-22 admin1

根據對條紋形狀的分析,我們可以得知被檢表面存在的缺陷,從而在此基礎上進行相應的磨制,最終達到我們所需要的標準的平面或球面。制造光學元件時, 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量,最簡單的方法是用樣板檢驗。我們通過觀察干涉條紋的形狀來判斷被檢表面的缺陷,從而進行相應的磨制, 最終達到我們的標準要求。


在制造光學元件時,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量,最簡單的方法是用樣板檢驗。下面小編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是不規則的平面,則可在A上放一標準樣板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,從而進行磨制以最終達到要求。

 

薄膜干涉在檢查光學元件表面時應用的分析與探討

 

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,同一等厚條紋應對應相同的空氣厚度,所以在同一條紋上,彎向棱邊的部分和直的部分所對應的空氣厚度應該相等。本來越靠近棱邊膜的厚度應越小,而現在在同一條紋上近棱邊處和遠棱邊處厚度相等,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離棱邊方向發生彎曲,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,條紋全部沿遠離棱邊方向發生彎曲,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行比較,玻璃樣板是一塊硬質玻璃板,它的一個表面是符合設計要求的球面,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準平面玻璃板。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。

 

薄膜干涉

 

1 當樣板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完全符合設計要求。若當樣板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 當樣板 B 正放在A上時,觀察到牛頓環,如圖 2(d)所示的明暗相間不等間距的同心圓環,則表明球面半徑有誤差。由牛頓環的原理知,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,當厚度為 j(λ /2)時,就觀察到暗紋;當厚度為(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,每一暗條紋的出現表明被檢表面與標準樣板間的偏差增加λ /2。故測出暗條紋的數目N就可知透鏡表面與玻璃樣板的半徑偏差△ d=N(λ/2)。


當觀察到圖 2(e)所示的條紋時,說明球面既有不規則的區域又有半徑誤差。這兩種缺陷都會影響儀器的成像質量,但比較起來,由于半徑誤差而產生的影響較小。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。但是透鏡表面的規則程度要求則較高,因其對成像質量的影響比較嚴重。


根據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,從而在此基礎上進行相應的磨制,最終達到我們所需要的標準的平面或球面。

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