基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:通讯联系人文章编号:()基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷张丽颖顾菊观徐海斌(.华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室上海.湖州师范学院 理学院浙江 湖州)摘要:针对牛顿环平板玻璃或平凸透镜会出现的多种质量及缺陷问题根据不同的情况进行分析研究模拟得出相应的干涉图样并分析质量问题和干涉图样变化的一致性 结果表明干涉图样的变化与器件所存在的质量问题相吻合通过分析牛顿环干涉图样能够判断牛顿环的质量和缺陷问题该研究结果对实际生产实践中如何针对质量和缺陷问题进行表面处理具有一定的指导意义关键词:牛顿环缺陷平板玻璃平凸透镜干涉图样中图分类号:文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.牛顿环在生产实践中的应用十分广泛经常被用作各种精密测量如测量介质的折射率测量入射光波长测量薄膜的厚度或是利用牛顿环的干涉现象研究电解质的烧蚀机制等 且牛顿环干涉作为大学光学实验中重要实验内容之一其对理解干涉现象和光的波动性有着重要的教学意义 牛顿环的应用之一是用来检查光学元件器件表面是否平整、是否符合光学实验对仪器设备的要求如有利用等离子体光学平面重新审视牛顿环以进行高精度的表面检查的方法等 张利巍等人分析了通过光圈的形状来判断透镜的表面规整程度又根据光圈的多少来判断透镜的曲率与样板曲率偏差的大小 而当光学元件器件表面不平整、有凹陷凸起时其干涉图样的变化没有进行深入分析目前对于平板玻璃表面缺陷的检测已有许多成果研究方法多样 例如利用线偏振光的变化规律基于背光照射或是全反射掠入射组合照明的方法检测 其中多是通过图像采集根据不同的算法对采集的图像进行数字化处理分析得到的 而利用对牛顿环图样的分析不仅能够检测平板玻璃的质量还可以检测其他光学器件的缺陷如平凹、平凸透镜因此通过牛顿环成像的方法本文针对多种牛顿环器件的质量问题即平板玻璃或平凸透镜表面存在缺陷从简单缺陷到复杂缺陷分别推导不同情况下两束反射光的光强公式模拟出相应的干涉条纹图样 通过理论分析与模拟图样变化的一致性利用干涉条纹图样判断出对应牛顿环的质量问题 大大方便了工人在生产中初步判断器件质量的好坏提高了生产加工效率以及对器件如何进一步加工起着一定指导作用 简单缺陷.平板玻璃缺陷普通牛顿环由平凸透镜和一平板玻璃组合而成且已知其光程差为 如图 所示令平凸透镜与平板玻璃的接触点为原点 建立直角坐标系图 牛顿环器件质量检测示意图在普通牛顿环的基础上使得在平板玻璃上 为.处有 大小的凹陷或凸起则此时缺陷部分的光程差为()式其余部分光程差不发生改变如图 所示:图 截面图()则光强为.()令 波长 改变 由光强公式()可得到此时的干涉图样(单位为)如图 所示根据光程差公式()式从理论分析可得当平板玻璃出现凹陷时牛顿环光程差增大即 大于 对于同一级条纹当 增大时要使得 不变则牛顿环半径减小当 时光程差恰好变化一个波长 条纹向中心收缩消失一级反之当平板玻璃凸起时牛顿环光程差减小小于 对于同一级条纹当 增大时要使得 不变同样牛顿环半径减小 观察图 可发现由于半波损失条纹中心为暗纹且随着 的增大牛顿环半径减小干涉条纹不断向中央移动收缩该仿真结果与理论分析一致()(凹陷)()(凹陷)()(凹陷)()(凸起)第 期张丽颖等:基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷()(凸起)()(凸起)图 牛顿环器件质量检测干涉图样图 为 变化时牛顿环干涉图样的动态图双击该图可显示图样的动态变化且可以自由播放暂停图 变化牛顿环干涉动态图(双击可播放/暂停).平凸透镜缺陷牛顿环质量检测如图 图 牛顿环质量检测示意图如图 所示令 为中心原点设处于平凸透镜截面的半径 为.处有 的凹陷或凸起令这部分透镜半径为 即 根据几何关系可得()即()因 为小量可约去计算得()这些部分的光程差变为()其他部分不变如图 所示图 截面图()得光强:.()此时由()式牛顿环干涉图样(单位为)如图 根据光程差公式()式理论分析可得当平板玻璃出现凹陷时牛顿环光程差增大即 大大 学 物 理 实 验 年于 反之当平板玻璃凸起时牛顿环光程差减小 小于 对于同一级条纹当 增大时要使得 不变则牛顿环半径减小 观察图(红色线圈为凹陷部分的边缘)可发现随着 的增大凹陷部分的牛顿环干涉条纹不断向中央靠拢半径减小 该仿真结果与理论分析一致()(凹陷)()(凹陷)图 牛顿环器件质量检测干涉图样.实际应用在生产过程中检测光学器件的牛顿环图样为静态图样因此当干涉图样部分条纹出现重叠或是与标准牛顿环图像产生一定位移时能够初步筛选出存在的光学器件以及判断出器件表面缺陷的位置 再对存在质量问题的光学器件进行有针对性的二次加工打磨如加工后其牛顿环图样较打磨前无变化可判定器件存在凹陷问题则该器件不合格无法达到生产标准如二次加工后的牛顿环干涉图样条纹较之前向中心收缩靠拢即器件存在凸起问题不断打磨直至检测图像为标准牛顿环图样 说明此时光学器件缺陷部分打磨平整能够继续投入生产使用 牛顿环器件复杂缺陷.平板玻璃某部分以余弦函数变化已知正常牛顿环的光程差为 如图 所示令 为原点设在 为.处平板玻璃有 的凹陷或凸起且 以 ()形式变化该部分牛顿环的光程差如()所示其余部分光程差不发生改变如图 所示图 牛顿环质量检测示意图()()则光强为().()设 波长 改变 取值由()式可得牛顿环干涉图样(单位为)如图 所示牛顿环器件凹陷或凸起部分 如图 所示以余弦函数有规律变化对于相同高度的 其光程差以及光强相同 观察图 两幅图可发现明暗干涉条纹随着 的变化以一定规律上下浮动在同样范围内振幅相同的情况下当 增大时 的变化周期减小(见图)条纹变化更加快速紧密 第 期张丽颖等:基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷设 波长 改变 取值由()式可得牛顿环干涉(单位为):图 衍射图 图 衍射图 波长/图 衍射图余弦函数分布图观察图 可发现明暗干涉条纹随着 的变化以一定规律上下浮动在同样范围内频率相同的情况下当 增大时 的变化周期不变振幅变大(如 所示)条纹变化幅度增大图 衍射图 图 衍射图 波长/图 余弦函数分布图.平板玻璃某部分以复杂函数变化已知正常牛顿环的光程差为 令 为原点设在 为.处平板玻璃有 的凹陷或凸起且 以形复杂函数的形式变化即模拟 为任意函数情况下的牛顿环干涉图样取(.)()令 .大 学 物 理 实 验 年将此 代入()式可得干涉图样(单位为):由三维分布图、以及二维曲线图、能够看出缺陷部分 以复杂的规律变化 观察图、发现当 以复杂的函数变化时牛顿环缺陷或凸起部分干涉没有规律图样不再呈现出明暗相间的干涉条纹变得模糊不清说明此时缺陷较为复杂图 的三维分布图波长/图 随 变化分布图图 以复杂函数变化时牛顿环的干涉图样取 ()令 将此 代入()式可得干涉图样(单位为):图 的三维分布图波长/图 随 变化分布图图 以复杂函数变化时牛顿环的干涉图样 结 语通过分析牛顿环器件的不同质量问题情况下的干涉图样能够初步判断出透镜或平板玻璃的质量是否合格或符合生产标准可以进一步分析出光学器件表面缺陷的情况 基于理论模拟研究当检测得出的图样不是明暗相间的圆条纹时表明器件存在缺陷问题需要及时更换透镜或平板玻璃当检测的图样表面器件存在缺陷问题根据干涉图样能够较为精准地定位并对其进行下一步的加工打磨 针对不同的问题可以给出不同的解决方案不仅使得检测透镜质量或平板玻璃 第 期张丽颖等:基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷更为便捷同时也大大提高了生产的效率参考文献:刘宁亮李沁瑶丁驰竹.利用牛顿环测量液体折射率仿真实验设计与开发.大学物理实验():.():.浦文婧黄玲玲史博等.基于利用牛顿环实验数据修正 的 教 学 讨 论 .大 学 物 理 实 验():.:.张利巍秦显荣李伟.利用牛顿环检验光学元件表面质量实验论证.科技论坛:.谭景升王亚婷庞静茹等.玻璃表面缺陷单面成像.光学技术():.张彩霞陈晓荣徐云洁等.玻璃表面缺陷检测系统研究.包装工程():.郑天雄冯胜伍凯凯等.一种平板玻璃表面缺陷检测方法.包装工程():.王世豪蔡延光蔡颢.玻璃表面缺陷检测算法研究.东莞理工学院学报():.张丽颖顾菊观.基于 的牛顿环干涉与折射率关系的讨论.广州物理():.张丽颖顾菊观.基于 的牛顿环干涉图样可视 化 交 互 研 究 .大 学 物 理 实 验():.张丽颖.牛顿环干涉的若干研究.湖州:湖州师范学院.(.):.:大 学 物 理 实 验 年