Transcript 面形的三维干涉测量及评价

数字干涉测量方法
及面形的三维干涉测量及评价
一、实验目的
1. 了解激光干涉的近代方法数字干涉技术的原
理和方法；
2. 掌握干涉的实时检测技术；
3. 了解数字干涉方法的特点及应用场合；
4. 了解表面三维形貌的高精度实时测量原理；
5. 实测一个平面光学零件的表面形貌并对评价指标
PV，RMS的定义有所掌握。
1
二、实验原理
随着电子技术与计算机技术的发展，并与传统的干涉检测方法结合，
产生了一种新的位相检测技术数字干涉技术，这是一种位相的实
时检测技术。这种方法不仅能实现干涉条纹的实时提取，而且可以利
用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差，消除或降低大气扰动及
随机噪声，使干涉技术实现/100的精度，这是目前干涉仪精度最高的
近代方法。
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L2
光源
L1
1
2
3
驱动器
计算机
软件
数字干涉系统
L1准直物镜，L2成像物镜，1被测件，2参考镜，
3压电器件（PZT）
，4成像光电器件（CMOS）
2
参考镜2由压电陶瓷PZT驱动，产生位移。此位移的频率与
移动量由计算机控制。设参考镜的瞬时位移为li，被测表面
的形貌（面形）为w(x,y)，则参考光路和测试光路可分别
用下式表示：
U R  a  exp[ i 2k ( s  li )]
I ( x, y, li )  a 2  b 2  2ab cos 2k[ w( x, y )  li ]
 a 2  b 2  2ab  cos 2kw cos 2kli  sin 2kw sin 2kli 
U t  b  exp{i 2k[s  w( x, y)]}
干涉场中任意一点的光强都是li的余弦函数。由于li随时间变
化，因此光强是一个时间周期函数，可用傅里叶级数展开。
2

a

 I ( x, y , l )

n
n
0
I ( x, y, li )  a0  a1 cos 2kli  b1 sin 2kli
i


2 n
a1   I ( x, y, li ) cos 2kli
n i 1


2 n
 b1   I ( x, y, li ) sin 2kli
n i 1

i 1
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从而求得被测波面，由下式给出：
w( x, y ) 
1 1 b1
1 1
tg

tg
2k
a1 2k
2 n
I ( x, y, li)sin 2kli


n i 1


l

 i , i  0,1, 2,3
i
2 n
2
n

I ( x, y, li) cos 2kli

n i 1



为进一步降低噪声，提高测量精度，可用P个周期进行驱动
扫描，测量数据作累加平均，即
w( x, y ) 
1 1
tg
2k
2 n p
I ( x, y, li ) sin 2kli

n i 1
2 n p
I ( x, y, li ) cos 2kli

n i 1
上式说明孔径内任意一点的位相可由该点上的n×p个光强
的采样值计算出来，因此，可获得整个孔径上的位相。除
实现自动检测外，还可以测定被测件的三维形貌。
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采用数字干涉测量原理进行面形的三维测量，与前面所不
同的是测量中采用了扫描技术，因而可以实现面形的三维
测量。高精度光学平面零件的面形精度可用下列二个评价
指标，如下图所示。
表面形貌
RMS
PV
面形精度的评价
1．PV值：是表面形貌的最大峰谷值
2．RMS值：是表面形貌的均方根值，RMS的定义是：
RMS  
v
2
N 1
v  xi  T
T
x
N
i
xi单次测值
N重复测定次数
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三、实验光路
同实验——精密位移量的激光干涉测量方法及实验(加PZT)
四、实验记录
被测工件：平面镜
序号
PV
RMS
EM
等高图（凹
或凸）
1
2
3
4
6
五、思考题
1. 采用下列方法可以提高测量精度吗?
a. 增加一个周期内的台阶数(n)； b. 增加扫描的周期数(p)
2. 测量精度一般由测量正确性和测量重复性组成，试分析增加n或p的
作用以及利弊关系
3. 试分析决定数字干涉仪测量准确性的因素和提高测量准确性的主要
方法
4. 你知道测量表面三维形貌有什么意义和作用吗？试比较本方法与你
了解的其它方法（例如轮廓探针法，三坐标测量机法，共焦法等）
的优缺点。
5. 为什么说本方法可以消除干涉仪自身的系统误差，而普通干涉仪则
不可能，只能靠加工水平来保证。
6. 光圈数N，局部光圈数ΔN，EM的物理意义以及与PV，RMS的大致
关系。
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