激光平面干涉仪说明书.doc

一、 用途
激光平面干涉仪是一种使用方便的光学精密计量仪器，主要用于精密测量光学平面度。仪器配有激光光源（波长为632.8nm）。对于干涉条纹可目视、测量读数。工作时对防震要求一般。该仪器可应用与光学车间、实验室、计量室。
如需配购相关的必要附件，可精密测量光学平面的微小楔角、光学材料折射率n的均匀性，光学镀膜面或金属块规表面的平面度，90度棱镜的直角误差及角锥棱镜单角和综合误差。
二、 主要数据
1. 第一标准平面（A面）,不镀膜。工作直径：D1=φ146mm
不平度小于0.02um
2.第二标准平面（B面），不镀膜。工作直径：D2=φ140mm
不平度小于0.03um
3.准直系统：孔径F/2.8， 工作直径：D0=φ146mm
焦距：f=400mm
4.测微目镜：焦距f=16.7mm，放大倍数β=15X，视场角2W=40°，
成像物镜：1.D=4.5 II.D=7 III.D=10
F=15 f=23 f=37
5.工作波长：632.8nm
6.干涉室尺寸：深260X宽300X190mm。
7.光源规格：激光ZN18（He-Ne）。
8.仪器的外形尺寸：长X宽X高 350X400X720mm
9.仪器重量：100公斤

图一 第一标准平面（A面）精度照片

图二 第二标准平面（B面）

三、 工作原理
本仪器工作基于双光束等厚干涉原理。
根据近代光学的研究结果，光兼有波动与颗粒两重特性。光的干涉现象是光的波动性的特性。因此，介绍本节内容时，仅在光的波动性的范围内讨论，例如，把“光”称为“光波”，“平行光”称为“平面光”。
波长为的单色光经过仪器有关的光学系统后成为平面波M。（如图三所示）经仪器的标准平面P1和被检系统P2反射为平面波M1和 M2。M1、M2即为两相干光波，重叠后即产生等厚干涉条纹。

等厚干涉原理
能够产生干涉的光束，叫相干光。相干光必须满足三个条件：1.震动方向必须一致，2.频率相等：3.光束必须相遇，且在相遇点处的相位差在整个时间内为一常量。如图三（3）基准面P1，被测面为P2.当平行光束是S-S射到基准面P1上时，其中一部分反射为S′-S′，
另一部分折射为B-F，进入基准面和被测面之间的空气层内，经被测零件的上表面P1反射之后，沿方向S′-S′射出。
两束光在C点处相遇，其光程差为：
=(BF+FC)n′-EC.n （1）
式中n′和n——分别表示玻璃和空气的折射率。
由图三（3）可得：BF=FC= (2)
式中 h——空气层的厚度；
i和i′——分别为入射角和折射角
由△BEC和△BCF可行
EC=BCsin i （3）
BC=2h tg i′ （4）
将公式(4)代入（3）后，再和（2）一起代入（1）得：

因为n sin i=n′sin i′,所以

空气的折射率n=1，故
=2 h cos i′
由于光线在被测零的表面上反射，其位相将发生/2的突变，故光程差应该用下式来表示：
（5）
为了讨论方便起见，将公式（5）写成如下的形式：

当式中的m为整数时，m即为干涉级数。由于这时相干光的初始相位差φ=0，所以m即为干涉条纹的条纹数，亦即通常所说的光圈数。
由公式（5）可以看出：光程差的大小仅仅与空气层的厚度和光线的折射角有关。相干光束以相同的倾角射入空气层，由于空气厚度的变化，所呈现的亮暗相间的干涉条纹是对空气层上等厚度点的轨迹，这类干涉就称为等厚干涉。
见图三（2）由于仪器的标准平面P1具有很高的精度，因此可以认为：经P1反射后的波面M1与M0完全相同。
假使被检系统P2没有误差，因此也可以认为：经P2反射后的波面M2与M0完全相同，即与M1完全相同。
如果M1、M2之间存在楔角,则两波面叠加相干时，得到平行的、直线的、等间距的一系列干涉条纹，相邻两条纹的间隔——即条纹宽度B由下决定：
B= (以弧线计)…………………（6）
式 B= (以秒计算)………(7)
当B=632.8nm时（He-Ne激光输出波长）时，
B=130.528/ （mm） (8)
由（6）（7）（8）式可知：
· 愈大，B愈小，条纹愈密，窄（图四a）
· 愈小，B愈大，条纹愈疏，宽（图四b）
· =0，B=，干涉场为一片颜色（图四c）
如果被检系统P2存在缺陷，则反射波面M2将产生对M1的某些偏离，此时将产生与下述不同的干涉条纹。

图四
如M2是一半径很大的球面波，则可能得到圆弧的干涉条纹(图五a)。
如M2是一半径不是很大的球面波，则可能得到一系列圆环形的干涉条纹（图五b）
如M2是柱面的波形，则可能那个得到一系列直线的平行的，但间距不等的干涉条纹也可能得到弯曲的，但不是圆弧状的干涉条纹（图六a）
如果M2是一个不规则的波面，则得到相应不规则的干涉条纹（图六a）
因此，我们得到的干涉图正确地表现力经被检系统反射形成的波面的全部误差信息，对这些条纹进行正确地解释或计算，可以测得被检系统的误差。
对于被检平面，常用N、△N来表示其平面性精度。

图五

图六
四、 仪器结构
如图七所示，以检测光学平面为例。
a) 光学结构：
由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（A面）及被测光学平面，A面和被测光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜G2反射，进入接收件。
星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。
接收件可以由人眼G10.成象物镜G15和测微目镜G11，或由分光棱镜G12，可动小孔G13和摄像头G14组成的摄像系统。
b) 仪器结构：
箱体1联系各部件、导轨2借助螺钉3固定光源，压圈4固定接收器件。门 可卸下去不用。
底面7下有微调机构，借助与手轮8调节干涉条纹，凹型台有平行槽，借助于插入工作台，工作台上有调节手轮，可粗调干涉条纹。

图七 仪器结构
五、使用说明
5-1激光光源的使用：
本仪器附有=632.8nm的He-Ne激光光源（图八）。
本仪器选用ZN18激光管（图九），安装激光管时，取下激光光源后罩，松开两个附有弹簧片的黄铜螺丝，把激光管放入凹圆弧有机玻璃座，须注意：
1. 激光管的输出端须安放在光源部件的上方，即有两调节螺丝的一端，市场上供应的激光管有正极性输出与负极型输出，究竟何极为输出端参见所购激光管的说明书。
2. 激光管座用带有弹簧片的黄铜螺丝压紧后，松紧适且，切忌压得太紧。
3. 插入相应电极插座。其后把激光电源安放在三角座2上，用螺钉3固定，然后接通电源，点亮激光管。
4. 旋动调节螺丝25、26使激光束射在发散镜上。此时在观察孔观察整个视场，调节至整个视场内均匀地充满红光为止。
5. 如发现视场内有杂乱的光环，那是发散镜外表上沾有灰尘衍射而成的缘故，只需用干净的干纺绸擦拭发散镜或用气球吹发射镜表面即可。
6. 本仪器激光光源附有亮度调节圈22，转动22即可调到你认为合适的亮度。
7. 激光管长期不用，同样会终止使用寿命，故备管不宜过多。
5-2目视头的使用、测微头的使用：
1.目视头40借助与螺钉41固定在圈3上，即为工作状态，此时，仪器标准面A的反射象点位于目视接目框的中央。
2.测微头42，借助螺钉43，固定目视头的接目框上，本仪器附有三种规格的测微器（图十），其成像物镜分别为：F15、F23、F37三种，测微器目镜均匀为15X测微目镜，三种规格的测微器使用范围见下表一。
3.借助与测微目镜的鼓轮与可移动分划板，可测得干涉条纹的宽度、弯曲度，根据国家“光圈识别”标准，可测得光圈数N、△N等数据。
表一
规格
焦距（mm）
放大倍率（β）
适用被测系统口径
F15
15
0.56
φ90-φ150
F23
23
0.86
φ50-φ105
F37
37
1.39
φ60以下

图 图九 激光管

图十 目视、测微目镜与成像物镜
5-3门的使用
本仪器工作室装有保温与防气流使用的门。
门的拆卸是十分方便的，在车间工作的往往不要门，此时可拆去不用（图十二）。
门的开启借助于白色长柄10，向下按后向外拉，门即开启。把门推上，即弹簧舌头自动把门卡紧。

图十二 门开启状态
5-4底座部分的使用
底座6内具有凹形的承物框7，框侧为两相对成排的凹形槽，借助于插入各种工作台。
凹形承物框7下有调节机构，借助于手轮8，可方便地调节承物框的倾斜，从而可根据测量目的完成所需的调节。
须注意：在一般情况下，尽量使承物框的底面与底座门框下边平行。因底座上的调节机构适合精密微调，工作台附有必要的粗调机构，一般情况下，在门关闭后，使用调节手轮8。
5-5工作台的使用
工作台(图十三)可插入不同高度的凹槽内。

图十三 工作台 图十四 激光电源箱
工作台具有两个调节螺钉，借助与此可调节干涉条纹，并附有四叉的升降调节器，叉球自右向左侧工作台下降。工作台的微量升降在某些测量中是必需的。工作台上方具有直径为φ170mm的载物台，用与承放被测件。
六、 测量光学平面的调节方法
6-1测量光学件的平面度
如果被测件是一平行板，建议在非被检面涂上凡士林油，防止该面的反射光不怕干扰，例如产生絮乱背景条纹，影响条纹的对比度。
把被检件K放在工作台84上（图十五a），被检面朝上，选择合适高度的凹槽把工作台插入。人眼距离观察孔200mm左右观察，可见到两个分开的星点，中央的一点为仪器标准面A形成的，另一点是被检面形成的，调节工作台上的两个手轮，两个星点逐渐重合，此时眼睛顺着星点靠近观察孔，可见到细而密的干涉条纹，继续调节手轮，干涉条纹由密到疏，直到你认为需要的条纹数量与方向（图十五b）
如果被检件须恒温，则可关上门，在外面借助手轮8调节干涉条纹。
干涉条纹的解释与定量须照国家标准“光圈标准”。
6-2光学平板微小楔角的直接干涉法（图十六）
光学平板的两个面反射后自身引成干涉条纹，如果光学平板两个面的夹角为β，平板材料折射率为n，则两个相干波面的夹角为
=2.n.β (9)
结合（8）式，可得
B=65.264/n. β （10）
当n=1.5时
B=43.5/β (11)
或β=43.5/B （12）
下表三列出光学平板（n=1.5）楔角β对应的条纹宽度值：

b

图十五 测量光学平面平面度

图十六 光学平板微小楔角的直接干涉法

表三
β（秒）
β（mm）
β（秒）
β（mm）
β（秒）
β（mm）
0.4
108.75
2.5
17.4
9
4.8
0.5
87
3
14.5
10
4.4
0.6
72.5
4
10.9
11
3.9
0.8
54.4
5
8.7
12
3.6
1
43.5
6
7.3
15
2.9
1.5
29
7
6.2
20
2.2
2
21.8
8
5.4
25
1.7
图例中测得B=29 故β=1.5秒
七、 使用中的几点说明
在干涉测量中光学玻璃受热变形是产生光学表面光圈变化的一个重要因素，因此在使用中对温度的稳定性要求是很高的，温度不稳定直接影响测量精度的可靠性。
7-1温度
1.恒温时间
被检工件装在放入仪器的干涉室前，由于工件是以外界进入工作室的，要有一个恒温时间，我们一般放24小时以上，然后再放入干涉箱内，等温6个小时以上，使平晶面形达到应有的真实状态，根据JJB28-80国家标准：
平晶在检定前放置在温度为20°±5°的检定室内不少于下列表四内规定时间：
表四
平晶直径（mm）
恒温时间（小时）
平晶直径（mm）
恒温时间（小时）
45
10
120
20
60
16
150
30
80
18

在检定平面度前，根据尺寸大小应放置在工作点不少于下表五规定的时间：
表五
平晶直径（mm）
时间（分）
45~60
30
80~100
60
150
120
检定时室温应稳定，温度变化应不超过表六规定：
表六
平晶直径（mm）
在24小时内温度变化℃
在1小时内温度变化℃
45～60
2.5
0.5
80～100
1.5
0.2
150
1
0.1
如果要测量高精度的平晶，我们一般是在检定时间内（六小时），不允许有0.5℃的温差变化，在仪器周围也不允许有0.5℃的温度梯度差异。否则会使主镜和被检工件受温不均，引起条纹的弯曲和象散。因此仪器须放置温差小，温度空间梯度小的环境之中，有条件最好的恒温室内布置一个小房间，内壁四周蒙上铝皮，以保证温度的均匀一致。
2. 外界温度的影响
操作人员在检测工件时，长时间靠近仪器观察，人体的温度必须使仪器四周温度引起变化而转入工件，引起干涉条纹变形和象散，一般在工件放入后，先调整好干涉条纹的方向和条纹数（一般3-5条），在恒温时间到后，去观察，再很快地转动微动手轮，确定另外方向的干涉条纹，再马上观察，时间不能太长，由于人温的影响而不一致，致使引起判别错误。另一方面也必须严格控制检验室内的工作人数，再则电源箱在工作时也会产生热量，故一般把电源箱放在工作台下或较远离仪器的地方。检定完毕，即把电源箱关掉。
7-2防震
我公司生产的激光平面干涉仪在设计时，对仪器结构本身的防震作过一定的考虑，因此一般只要在工作台上放一块10毫米厚度的橡皮或毛毡即可，工作场地的地面应结实牢固，不允许有人走动时能感觉到的震动。仪器如放在木制工作台时，因仪器本身有100公斤，为使工作台变形引起震动，因此仪器需放在脚比较结实的一边，这样就能减少晃动。
7-3干涉条纹数的确定和方向
在干涉测量时，对于干涉条纹数目选择多少影响到工件本身的测量误差。干涉条纹数目太少（疏）反映不了整个面形的误差，干涉条纹数目太多（密），干涉条纹失高的测量误差也很难计算。根据国家标准，使被检区域内出现3-5干涉条纹，这样误差就能容易判断。如果对高精度平面的测量，最好以米字形四个方向对干涉条纹进行观察，这样就更能客观地反映被检工件整个的面形误差。如图十七所示。

图十七 观察、照相干涉条纹四个方向
7-4干涉条纹的正负判断
区分被检工件平面度的正负即高（凸）低（凹）圈的方法很多。以本仪器而已，从使用方便角度来看，首先用手指轻轻托托被检工件的下方，看干涉条纹的移动方向，然后把门关上，在用肉眼观察的，同时用两手轻轻从上至下按动仪器中的微动手轮，看是否与托被检工作台一致（一般都是一致的），此时从视场中就能很容易地看到条纹在按动中向某一个方向移动，根据我公司仪器情况，如果按下去条纹凸的方向向外扩散（如图十八），我们就认为工件面形为高光圈（凸面），如果条纹方向按下去收缩，我们就认为低光圈（凹圈）。若按动微动手轮和轻托工作台不一致，就按轻托工作台为准，用这个方法在检测中比较简单，使用起来也极为方便。

图十八 干涉条纹判别
7-5影响条纹清晰度的几种原因
影响条纹清晰度的原因很多，我们在使用过程中大致有以下几种情况：
1. 激光光束与小球关系
在使用中，激光光束是否很均匀地照射在φ2mm的小球上（G1）,如果有偏离，使干涉场强不均匀，这样观察到的条纹就有粗细，容易造成条纹精度的判别错误，因此在使用前，调节光束是必须的。
2. 激光管老化：
激光管在使用一段时间后，光亮度会减弱，同时会出现忽亮忽暗现象，此时看到的条纹也是不清晰的，换一根管子即能排除。
3. 被检工件面和主镜与小球的不清洁：、
如被检工作面没有擦清或主镜有手印时间长了出现霉斑以及小球占上灰尘都能影响干涉条纹的清晰度，因此，在检定前清洗各光学件是必须的。
4. 被检工件和主镜的高度：
在检测时，被检工件最好靠近主镜，这是由于不可避免的模式竞争，使激光管的单色性更差，从而使干涉条纹模糊，在工作中我们发现越靠近主镜（当然不要碰到主镜），它的条纹越清晰。
八、 仪器的开箱和安装
我公司生产的激光平面干涉仪是一台高精度的光学检测仪器，自重为100公斤。为了保证仪器本身的精度，在运输、搬运、开箱、安装时就与一般仪器不同。在运输、搬运中要防止仪器受潮、防止仪器的严重倾斜与激烈晃动，以免镜片发霉和由于光轴的倾斜焦距移动而影响仪器精度，或使仪器不能使用。在开箱取件时，必须把仪器慢慢地从水平方向拉出来，然后两个人把它抬进工作室放在牢固防震较好的工作台上，在搬运时千万不能把仪器的微动手轮当作拉手使用，不然容易把微动手轮拉弯，至使仪器不能正常使用。
仪器运到时，如遇到天气正是室温和室外温度相差很大，不能把仪器马上搬进室内，最好在走廊中进行一个晚上的定温，使仪器本身温度逐渐和室温相接近。如果仪器马上从室外搬进室内，这时由于室温和露天温度相差较大，使仪器温度突然改变，这样使干涉仪内各个光学件内空气相对湿度提高，析出露珠附于光学件上，会影响仪器的精度和使用。
仪器放在工作台上后，首先打开门，把在箱体内保护主体运输中装的白色泡沫垫拿掉，然后再把底座上的二个保护螺钉取下（图十九所示），看底座与仪器是否保持水平，如没有达到水平要求，可旋转二个微调手轮，使它与仪器大致保持水平。

图十九
九、 仪器的维护与保养
仪器在使用过程中保持室内和仪器四周环境以及干涉箱内的清洁，尤其是刚从机床上取下的整盘被检工件，要清洁干净后才能放入检测，使用一段时间后，难免会在一些光学件上沾上灰尘，这时应用酒精和乙醚的混合剂轻轻再沾灰的光学件上清洗。不允许把任何不该放的东西放入仪器的干涉箱体内，仪器如有相当一段时间内不用，在干涉箱体内放好干燥剂，并且经常调换，仪器在使用中应垂直与工作台上放置使用，决不能横放和倒放，不然主镜将受力不均匀而变形，仪器光轴和焦距随之而倾斜和移动，会使仪器严重失准，甚至于连光点都找不到。仪器放在恒温室内，不要放在通风口下，不然温室内温度梯度发生变化，带来测量误差，在使用中发现有毛病，仪器的主镜不能随意拆动，不然光轴和焦距将会不准。在放入被检工件时，要特别注意手不要接触到主镜，因为人汗有酸性，如果碰了以后不及时擦去，容易遇酸分解，时间长了，会使主镜发霉，影响主镜质量，霉点一多，干涉条纹模糊不清。

十、 仪器的成套性
1、激光平面干涉仪主体 1台
2、激光管座 1套
3、激光电源 1套
4、激光管（ZN18 HeNe） 1根
5、目视头 1个
6、测微目镜 1只
7、成象物镜F37/F23/F15 各1个
8、工作台 1只
9、第二标准平面镜 1块

十一、干涉条纹的弯曲量与光学平面相应精度的参照图

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