韩振华，林 健，卓金寨，王 敏

（福建师范大学 物理与光电信息科技学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007）

引 言

光干涉法由于具有很高的测量精度，经常应用在许多精密、超精密加工测量工作中［1，2］。光学零件作为一种精密加工的元件，其加工过程控制和最终的结果检验都依靠光学干涉法，即通过干涉的方法检验光学零件面形偏差。通常采用光学样板法或干涉仪测量，在垂直于一个圆形检验范围内的位置所观察到的干涉条纹（通称光圈）的数目、形状、变化和颜色来确定其面形偏差［3－5］。

目前国内外多种类型的干涉仪可以实现对球面光学工件面形的精确测量。这些干涉仪器从干涉图样信息获得被测球面面形的象散偏差及局部偏差，采用精密导轨根据球面球心和顶点之间的距离测量出光学工件的曲率半径，但这些仪器大都用于光学零件的最终检验，而且通常价格昂贵、体积庞大，并不适用于对加工过程的质量控制。在加工过程中的检验目前主要还是通过光学样板法来检验，这种方法每次只能检测一片，而且在检测的过程中光学样板通过加压直接接触被检镜片，容易对已加工好的球面造成二次伤害，效率低，不能适应现阶段大批量的生产现状。

现设计一种能现场应用、特别是对加工过程中的零件作在线检测的小型化、价格低廉的面形检测系统，实现在线快速无损检验球面镜片的面形质量，提高生产效率，降低成本。

1 系统的基本原理

泰曼－格林干涉仪可以用来测量棱镜、玻璃平板的材料均匀性，同时也可以用来测量光学系统的综合质量［6］。由于泰曼型的干涉仪属于双光路干涉可以获得等厚干涉，对于被测件的反射率要求较低，容易获得对比度较好的干涉图样［7］，因此采用泰曼－格林原理来设计用于加工过程中产品质量控制的在线检测系统。

图1为该系统的测量原理图。激光束经扩束后，光束垂直射入一分光棱镜，反射光射入参考面，经反射后沿原路返回，形成参考波前；透射光射入被测面，经反射后沿原路返回，形成测试波前。参考波前与测试波前经分光棱镜汇合后形成干涉，在观察接收屏处可以观察到干涉条纹。

该干涉系统的特点在于用光学车间已有的光学样板或者经过检验合格的镜片、或者客户提供的样品来作为参考镜，采用不同的光学样片就可以对相应的光学镜片进行检测，不受“凹”、“凸”面的限制。光学样板作为光学元件生产的必需品很容易获得，如果没有样板也可以用经过检验合格的镜片、或者客户提供的样品，可以满足测量的需要。

图1 系统原理图Fig.1 Principle diagram of system

2 系统结构的设计方案

对于这种新型的检测系统，其特点是可以用来对生产中的没有下盘的镜片进行检测，从而对加工过程起到指导作用，缩短加工时间提高生产率。系统采取的是分振幅型的干涉，通过对干涉场内条纹的数目、弯曲量来确定被检物体的面形偏差，由此确定该镜盘的生产是否达到进入下一道生产工艺的标准。考虑到观察的方便以及后续的处理，采用CCD将干涉图像采集传输到电脑进行计算和显示。由于用CCD对图像进行采集，拍照曝光时间可以很短，因此对振动和温度变化带来的影响并不是十分敏感。同时考虑到要更好的防震，干涉仪可以配合防震平台使用。

2.1 系统结构

图2 系统结构图Fig.2 Schematic arrangement of system

球面在线检测系统的样机设计方案如图2所示，先将一个光学样板靠紧在圈口的上端面上，然后再将一个完全相同的光学样板（或者检测后充分相似）夹紧在仪器的右边。这时开启激光器，使其射出的平行光通过空间滤波器后入射到扩束镜，扩束镜端口装有可调光阑，通过调节光阑大小来获取适合检测口径的光束直径，来适应不同口径大小的镜片的检验，同时减少杂光对干涉光路的影响。扩束光束入射到分光棱镜后分成两束光，一束光沿着光轴X方向射向光学样板的基准面上，经反射后返回，形成参考波前；另一束光沿光轴Y方向射向圈口上的光学样板的基准面，经反射后返回，形成测试波前。参考波前与测试波前经分光棱镜汇合后产生干涉，在观察接收屏上可以观察到干涉条纹。

2.2 调试

通过多维调节装置（图2中未标）调节右边的光学样板的光轴与扩束镜的光束的中心轴线重合，并在中心轴线方向上移动使两束光束的光程大致相等，在观察接收屏上可以观察到干涉条纹。由于采用激光做光源，相干长度足够长，可在很大的深度范围内观察到清晰的干涉条纹。在中心轴线方向上调节光学样板观察干涉条纹，当干涉条纹数目最少时，此时的位置即为两块光学样板的基准面的顶点距离分光器的中心等间距的位置，固定光学样板的位置。观察接收屏沿光学样板的光轴中心线方向可以前后移动，以便得到合适大小的干涉图样。

2.3 测试

将圈口上的光学样板换成镜盘上的待测透镜，圈口上端面的三个定位钢球可以实现将放置其上的待测透镜的待测面所在球面的球心处于三个钢球组成的三角形的几何中心垂线上。该垂线与扩束镜的光束的中心轴线重合，并且待测透镜的待测面所在球面的球心也位于中心轴线位置，无需再次调节就可以得到干涉条纹。采集此时干涉条纹的图像并进行特征分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、像散偏差、局部偏差等。光学样板的基准面的曲率半径可以由球径仪等仪器精确测量得到，由此可以计算得到待测透镜的待测面的曲率半径。

3 系统结构的实现

根据球面在线检测系统的设计方案，最重要的是要保证光路的正交对称性。考虑到实际的应用，样板尺寸小较易调节，因此对于该双光路系统采取固定其中被测件光路，调节样板光路来实现双光路的正交对称和等光程。

球面在线检测系统主要由支撑机构、固紧机构、光路调节机构和图像采集机构组成。

3.1 固紧机构的设计

分光棱镜作为整个正交光路的核心，其位置发生一点点相对改变，都会使得光路系统发生改变，要保证光路的稳定必须对棱镜进行合理的定位固紧。因此将棱镜和固紧机构作为独立的装配组件通过刚性定位弹性紧固，将其固紧在正交光路的中心并保持稳定。

设计方案考虑到结构的稳定和安装定位的方便采用直角分光棱镜，选取其底面为主定位面，右侧面为辅助定位面，用非工作面的前后两面分别加压条弹性夹紧，限制各个方向的自由度。考虑到安装方便，采用前后通透式的结构，安装时可以夹持非工作面将棱镜放入合适位置，而不碰触工作面；同时前后压板与分光棱镜之间添加弹性元件，通过调节压板上的螺钉来实现弹性固紧；顶部和左侧留出余量使得棱镜的位置在一定范围范围内可调，以保证位置精度的同时降低加工成本。三维定位精度依靠数控设备的加工精度保证。

3.2 光路调节机构的设计

系统采取的是正交双光路结构，这样可以方便得到等厚干涉。为了使光路调节简便、快捷，选择固定其中的检测光路，作为等光程调节过程中的“基准”。

光学镜片生产过程中主要是通过观察镜片与光学样板之间的产生的干涉条纹，来获取镜片的面形偏差，以判断镜片是否符合进入下一道工序的标准。这就对调节机构的精度提出了较高要求。

光学样板一般都是圆柱形物体，因此采用镜筒式的装夹结构对其进行固紧［8］，同时根据其形状特征采用了新型的等光程调节机构，如图3所示。

图3 等光程调节结构Fig.3 Aplanatic regulatory mechanism

3.2.1 等光程调节结构

考虑到样板的形状特征和设计要求，设计了一套螺纹微调节机构（见图3），来实现光路中等光程部分的调节。

实际生产过程中，光学加工车间一般根据设计者的要求来制作相应的样板，因此依照样板的极限尺寸设计了样板镜筒，并配合相应的隔圈、压圈来适应不同尺寸的样板。将样板镜筒装入有径向开槽的套筒中，样板镜筒通过导钉与套筒关联，沿槽拨动导钉，通过观察条纹的变化，可以找到一个接近等光程的位置实现粗调。

细调主要通过螺旋传动实现。螺旋传动不但传动平稳，而且传动精度高，结合样板的外形特点，比较适合用于微量调节。同时在样板镜筒外部设计的螺纹微调节机构，通过旋转与套筒同心的调节环，来实现样板镜筒的微量移动。样板镜筒的移动量L与调节环的转角α有以下关系：

其中k为螺纹线数，t为螺距，d为螺纹中径［9］。

通过选择不同的螺纹中径和不同的螺距可以获得相应的进给量，提高调节精度。

3.2.2 角度调节机构

正交双光路结构不仅要求双光路到直角棱镜的分光面的光程相等，还要求检测光路和样板光路要正交对称与分光面，因此在样板光路与固紧机构连接部位设计了球面万向调节机构，可以方便调节样板光路使其与检测光路正交对称于直角棱镜的分光面。机构同样采用了刚性定位弹性固紧。保证检测机构定位的稳定性。

样机已经制作完成，经过安装调试，图4为样机采集到的结果图，图像清晰、稳定，能够满足后续的图像处理的要求。

图4 干涉图像Fig.4 Interference images

4 结 论

基于泰曼－格林原理设计了一种适合生产过程中对产品进行在线检测的干涉仪，并对其结构进行了设计。该干涉仪结合光学车间的现有条件，用光学车间里现有的各种不同曲率半径的光学样板产生干涉的参考波前，与待测镜片产生的测试波前产生干涉，通过对干涉图像进行分析计算，可以测出球面镜片的面形偏差、局部偏差和曲率半径，并且可实现快速无损非接触在线检测。同时没有采用测量导轨，使仪器小型化。设计专用的调节机构，调节方便。通过实验证明该仪器不但较容易获取干涉图像，而且图像清晰、稳定。通过该干涉仪的应用，可以大大地提高生产效率，降低成本，适应镜片大量生产的需要。

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