光學零件的基本量測量

機械法

利用球徑儀可以精確量出待測球面球冠的矢高h，若已知對應(yīng)的弦半徑r

h=R-√R^2-r^2

用鋼珠式測量時，以通過硬質(zhì)鋼珠中心遠走半徑r為弦半徑，則可導出計算凸球面曲率半徑的計算公式

測量凸面 托舉起來R=(r^2/2h)+(h/2)-ρ

測量凹面 扣在測量環(huán)上R=(r^2/2h)+(h/2)+ρ

測量環(huán)對待測件起支撐作用。它能給出準確的r值和ρ值，并可以確定矢高h的零位讀數(shù)。儀器一般備有7到9個測量環(huán)供選用。

測量桿位于測量環(huán)中央，并可帶動玻璃刻尺沿測量環(huán)的軸線移動。通過調(diào)焦到刻尺面的讀數(shù)顯微鏡確定出測量桿所在的位置，從而測得相應(yīng)的矢高值。

測量方法

平面樣板

首先根據(jù)待測件的口徑，選擇半徑盡可能大的測量環(huán)。

放入樣板確定測量桿的零位讀數(shù)

拿掉平面樣板，將待測件放到測量環(huán)上，由讀數(shù)顯微鏡讀出測量桿第二位置的讀數(shù)，則兩位置讀數(shù)之差即為矢高h

計算R和σR

R=(r^2/2h)+(h/2)±ρ

對板

凸面放在環(huán)扣上確定測量桿的第一位置讀數(shù)a1

凹面放在環(huán)口上確定測量桿的第二位置讀數(shù)a2則兩位置讀數(shù)之差即為二倍的矢高2h（H）

R=(r0^2/H)+(H/4)=(r0^2/2h)+(h/2)

σR=√[(2R/r)^2]σr^2+1/4[(2R/r)^2-1]σh^2+σp^2

σr=0.001mm

σp=0.0005mm

玻璃刻尺誤差經(jīng)修正可達σh1=0.0005mm

目鏡測微器分劃板上刻制的螺旋分劃線的螺距誤差σs引起的讀數(shù)誤差σh2=σs/β，β是顯微鏡垂軸放大率。

顯微鏡的對準誤差σh3=0.073δ/Γ

測量矢高需要兩次對準兩次讀數(shù)所以

σh=±√σh1^2+2σh2^2+2σh3^2

優(yōu)點：精度高 測量范圍寬 待測件不用拋光 操作方便

缺點：磨損 要求儀器制造精度高

自準直顯微鏡法

當自準直顯微鏡分別調(diào)焦與待測球心C和頂點A時，人眼通過目鏡將先后兩次看到清晰無視察的自準像。自準顯微鏡兩次調(diào)焦沿軸向移動的距離，即為待測球面的曲率半徑。

顯微鏡的工作距：第一表面的頂點到被測樣品的距離。

低倍率小數(shù)值孔徑：工作距長

高倍率大數(shù)值孔徑：工作距短

測量凸面要受到工作距的限制

根據(jù)待測面的孔徑角（sinu=D/2R）選擇合適倍率的顯微物鏡，使其數(shù)值孔徑NA大于sinu。當檢測凸球面時，要求顯微物鏡工作距大于待檢面的曲率半徑。

將待測件裝卡到夾持器上，根據(jù)待測件的曲率半徑名義值，將夾持器座定位在需要的標志位置，當R≤200mm時，定位在0刻線標志位置；200≤R≤400mm，則定位在200刻線標志位置，以此類推。

軸向微動測量座并微調(diào)待測件使自準顯微鏡的目鏡視場中，觀察到過球心清晰且無視察的自準像。在投影讀數(shù)器讀得對應(yīng)球心位置度數(shù)x1。

移動測量座，使自準顯微鏡對待側(cè)面頂點調(diào)焦，直至目鏡視場中再次看到清晰無視差的自準像。讀得對應(yīng)球面頂點的位置度數(shù)x2，則被測面的曲率半徑R為：R=x2-x1+x0

誤差分析

夾持器座定位誤差σ1=3μm，當x0=0時，σ1對R沒有誤差

刻尺刻線誤差σ2=0.5μm

投影讀數(shù)器誤差σ3=0.5μm

顯微鏡的兩次調(diào)焦（清晰度法）的標準偏差：

σ4=±(1/2√3）√2[(0.073nα/2ГNA)+(nλ/3NA^2)](mm)

σ4={{(1/2√3)[0.073nα/2Гsinu測）+（nλ/3sinu測^2）]}^2+{(1/2√3）√2[(0.073nα/2ГNA)+(nλ/3NA^2)]}^2}^1/2

式中NA為顯微鏡的數(shù)值孔徑

u測為待測面的孔徑角

曲率半徑測量的標準偏差為：

σR=√σ1^2+σ2^2+σ3^2+σ4^2

優(yōu)點：非接觸測量表面不會磨損、可測小曲率半徑、精度高（0.001到0.002）

缺點：表面必須拋光、測量范圍小、儀器調(diào)整復雜。

自準直望遠鏡法

如果自準目鏡沿軸向移動x’距離，剛好使物鏡射出光束的匯聚點與待測面的球心C重合，嘖由待測面自準回去的分劃P1的像，將清晰無視察的成在分化板P2 上，利用牛頓公式，可求得待檢面的曲率半徑。

測凸面x’為正，R為負； R=d-f’（f’+x’）/x’

測凹面，x’為負，R為正；（因為凹面的球心在物方焦點的右側(cè)）

測量凹面的時候x’為負，R為正；（因為凹面的球心在物方焦點的右側(cè)）

按f’<R/20選取望遠物鏡，并按檢測精度要求，選取合適的放大率；

用平面反射鏡以自準直法校望遠鏡的分化板P1和P2，使分劃板準確位于物鏡的后焦面上，讀得前置鏡的零位讀數(shù)。

放置待檢面，軸向移動自準直目鏡，使被檢面返回的自準直像清晰無視察的成在分化板上，讀得讀數(shù)，兩個讀數(shù)之差就為x’，注意x’的正負號；

量出d（被檢面頂點至前置物鏡頂點間距離+物鏡頂點前主面距離）即可求R值

誤差分析

測量曲率半徑R的相對標準偏差為：

σR/R=±√4(σf'/f')^2+(σx'/x')^2

縱向調(diào)焦誤差：

σx'1=f'^2/1000√6 (0.29α/ГD+4λ/3D^2)(mm)

σx'1=f'^2/1000√6(0.58δ/Γ^2(D'-D/2))(mm)

σx'2=4Nλf'^2/1000D0^2

σx'3=±0.001mm

λ=541nm汞燈的波長

優(yōu)點：可測大曲率半徑、非接觸測量、設(shè)備簡單

缺點：精度低（0.2％到10％）、只適用于大曲率半徑、被測零件要拋光。

焦距和頂焦距的測量

平行于光學系統(tǒng)光軸的平行光束經(jīng)過光學系統(tǒng)后的匯聚點到光學系統(tǒng)的像方主點的距離

應(yīng)用光學中提到的焦距是近軸區(qū)域，單色光所確定的焦平面到主面的距離

實用焦面是無限遠的物體，經(jīng)透鏡成像最清晰的垂直光軸的平面到主面的距離

精度

一般觀察

瞄準儀器：σf'/f'≤1％

雙瞄準體式儀器：σf'/f'≤0.3％

高精度測量儀器：Δf’/f'≤(0.01到0.03）％

待測系統(tǒng)盡可能處于實際的工作狀態(tài)（如待檢系統(tǒng) 的物距、放置方向等）進行測量。

調(diào)平行光管、待檢系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)三光軸共軸

通過被測透鏡的光束盡可能充滿被測透鏡的實際有效口徑，觀察系統(tǒng)也盡可能不切割被測透鏡的成像光束。

平行光管的焦距是被測透鏡的2到5倍。

玻羅刻線對稱于分劃板中心，裝配時使分劃板中心位于光軸上，最大刻線間隔小于有效視場。

注意選用最佳的調(diào)教方法，如測量是觀測系統(tǒng)的出瞳大于或等于2mm，應(yīng)以消視差法調(diào)焦來判定成像位置。

放大率法

f'=(y'/y)fc'? ? f'=(y"/βy)fc

β顯微鏡物鏡的垂軸放大率

y"——y'京車輛顯微物鏡方大的像

正透鏡：可測焦距最大值受儀器導軌長度的限制。

負透鏡：受顯微鏡工作距限制

測量誤差

σf'/f'=√｛[(1/fc')^2]σfc'^2+(1/y)^2]σy^2+(1/y")^2]σy"^2+(1/β)^2]σβ^2｝

σfc'/fc'=0.1％

σy=0.001mm

σy"=0.005mm

σβ/β=0.05％

σf'/f'≤0.3％像質(zhì)好的正焦距測量標準偏差

σf'/f'≤0.5％像質(zhì)好的負焦距測量標準偏差

附加透鏡法

附加透鏡法適用于測量負透鏡的焦距

已知焦距f'p的正透鏡+待檢負透鏡=伽利略望遠系統(tǒng)測量望遠系統(tǒng)視放大率Γ

Γ=-fp'/f'=y1'/y2'

y1'放伽利略系統(tǒng)的像高

y2'未放伽利略系統(tǒng)的像高

f'=-(y2'/y1')fp'

誤差分析

σf'/f'=√（σfp'/fp'）^2+(σy1'/y1')^2+(σy2'/y2')^2

σy2'約為0.002mm

σy1'約為0.005mm

當正透鏡的焦距采用的是放大倍率法σfp'/fp'≤0.3％時，附加透鏡法測量誤差大；用精密測角法σfp'/fp'≤0.1％時，附加透鏡法負透鏡測量誤差可與放大率法相當為σf'/f'≤0.3％