谈谈光学检测的指导思想

第2卷 第6期 光 学 与 光 电 技 术 Vo1．2，No．6 文章编号 1 672—3392(2004)06—000 1—03 谈谈光学检测的指导思想 潘君骅 (苏州大学现代光学技术研究所 苏州 215006) 摘 要 指导思想是指人们在做一件事之前，考虑要采取什么样的技术路线，使用怎样的工具和方法等等。人类 经过长期的经验积累和理论研究，发展出许许多多测量方法和测试仪器、测量工具。计算机的出现和普及，使光学 测试领域也发生了革命性的变化。集光一机一电一算于一体的新的测试仪器和经典的仪器设备之间的取舍，往往是决策 者不能回避的选择。世界上的事情是复杂的，有的事情，从这个角度看应该这样，而从另一个角度看也许应该那样。 但是，不管用什么手段，又经济又能解决实际问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 就是好手段。以制造一个4m镜面为例，谈谈个人的测试思路。 关键词 光学检测；测量工具；抛物面；干涉仪；刀口检验 中图分类号 TH741．3 文献标识码 A 指导思想是指人们在做一件事之前，考虑要采 取什么样的技术方法和工具等等。人类经过长期的 经验积累和理论研究，对解决各种事情，发展出许 多路线，使用很多测量方法和测试仪器、测量工具， 这个过程永远不会停止。但是有的方法止于发表几 篇文章，而有的则被广泛采用并流传至今。计算机 的出现和普及，使光学测试领域也发生了革命性的 变化。集光一机一电一算于一体的新的测试仪器和经典 的仪器设备之间的取舍，往往是决策者不能回避的 选择。所以，指导思想更高一层的意思是在哲学层 面上。世界上的事情是复杂的，有的事情，从这个 角度看应该这样，而从另一个角度看也许应该那 样。但是，不管用什么手段，又经济又能解决实际 问题就是好手段。下面谈谈个人的一些不成系统的 看法。 1 确定光学检测的目的及必需的手 段 1．1 工艺过程的检测 工艺过程的检测不要求全面，但要有效地指导 下一步工艺进行，检测一次的时间应尽可能短。应 知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差 的位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、 过程、得结论)，力求省时。因此不同的工艺阶段， 应选择最合理的检测工具和检测方法，要考虑到已 有的和最有可能得到的检测工具。 1．2 最终检测 最终检测应给出任务指标所关心的主要误差 的最后定量信息。对于单个零件主要是曲率半经、 K值 (二次曲面)、表面偏差最大值 (p—v)、均方根 值 (nns)、偏心差等等；对于光学系统主要是系统 焦距，成像光束质量 (轴上、轴外)。 不同任务，根据实际使用目的对成像光束质量 应提出不同的表达方式及指标。目前绝大多数是： 波像差 (高要求)、弥散斑尺寸 (略低要求)、光学 传递 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 等。波像差要用干涉仪取得干涉条纹，再 对干涉条纹进行数字化处理。好的软件除波面差以 外，还可以由此计算出：环围能量分布，Strehl比， 点像重构图等重要数据。干涉测量需要有一块和系 统相同口径的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 平面镜或球面镜，而弥散斑尺寸 直接测量要有一个和系统相同口径的平行光管。对 于大口径系统，这两者都是投资较大的基本建设， 但必不可少。 如果要问，对于十米级的天文望远镜该怎么 办?据我所知，是在望远镜装成后，对准一颗天上 的星，并进行跟踪，用Shack-Hartmann方法测试， 收稿日期 2004-10-26； 修改稿日期 2004—11-10 作者简介 潘君骅 (1930-)，男。中国工程院院士。1952年毕业于清华大学，1960年获原苏联科学院副博士学位。1988年研制成功的2．16m 望远镜获得国家科技进步一等奖。主要研究方向：非球面系统的设计、加工与检验。E．mail：jhpang@suda．edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 光 学 与 光 电 技 术 第2卷 得出波差数据。但是现代军事上所要求的高精度、 大口径光学系统，口径愈来愈大。要想得到地面分 辨率为 0．1m，轨道侦察相机的光学系统口径应在 5m左右。要想检测5m口径的系统，如果没有适当 的跟踪装置，只有做一块 5m 口径的标准平面镜， 才能做到高精度定量检验。 2 如何贯彻这些指导思想 工程问题不能离开实际，谈如何贯彻这些指导 思想，要有具体对象。根据国防光学装备需要的趋 势，5m 级口径的光学系统已是提到日程上的事。 以做一个口径为 4m，F／1．5，精度：P—v值为 k／6， rills为 4JD的抛物面镜为例。这个镜子的精度要求 属于比较高的，但还不是顶尖精度。要求 rms为 Z／40，可知镜面的高频误差不允许很大。镜面的高 频误差主要是由加工水平决定，但工艺过程中的检 测及此后的工艺措施会有相当重要的影响。 如前所述，为完成这项工作，一个 4m 口径的 标准平面镜是必定要有的。此镜的光学检验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 以 Offner零位检验⋯光路为最可取。光学修改工艺过 程中，可采取的误差检测手段主要是刀口阴影检验 [21和干涉检验 两种。星点检验[41在镜面出现不对称 状况时，用来分析情况，是很有用的辅助手段。 下面按加工过程进一步讨论，假定半径为 12m 的球面已经细磨好。 1)细磨检验 简单计算可知，这个抛物面和顶点球面 VS (Vertex Sphere)的最大偏差为 1．1738mm，和最佳 比较 球面 BFS (Best Fit Sphere)的偏 差为 0．2934mm。所以这个镜面的磨制过程必然要从细砂 研磨开始。细砂研磨是非球面磨制过程中，非常重 要的步骤，其好坏对抛光修改有决定性影响，故必 须经常测量整个面形，测量精度至少达到0．005mm。 由于这时表面是不反光的，首选的方法是高精度机 械测量。镜面直径为 4m，用这样大的三坐标测量 仪是否现实值得怀疑，包括价格、精度、使用不方 便等等。自制机床式专用测量装置，代价及精度风 险均极大。听一个美国人介绍，他们做大口径天文 镜面时，这一步测量是用一根扁担式的测量工具， 就是一根精密的方棍，两头有两个宝石球，中间是 一 个精密测头，在镜面各处测出宝石球之间的矢 高，然后算出面形。这个方法的数学模型不太清楚， 从实用角度看是很吸引人的，值得注意。最大的好 处是每测一次不需要将 4m大的镜子从加工机床移 到测量设备上去。所以，我认为如果要做4m望远 镜，应该将此作为首选方案，将它的数学关系研究 清楚，待误差降到5九左右时再进入抛光修改。 作为第二方案，我认为Ronchi线条板法[51是可 以考虑的。线条板法最大的麻烦是检验时需要使工 件表面有反光。而修磨必须用细砂，所以每次修磨 之后要设法使之能反光。此法最大的好处是，它的 灵敏度可用改变线条的周期来调节，也就是说，当 误差还很大时，可用线条较粗的Ronchi板，随着误 差减小，逐渐改用细一些的板。在用到 5—10 line pairs／ram的板，如果看上去很直了，就完全可以转 入刀口检验或干涉检验，进行抛光修改。Ronchi检 验的光路原则上和以后的光学检验一样。这个方法 在0．4m口径的镜面上用过，很管用。 测量 Ronchi图求得几何像差，再计算出波像 差，比较花时间，不适合于加工阶段。根据线条的 弯曲情况判断镜面上误差的大小、位置及高低，需 要一定经验，但并不难。使工件表面有反光，在粗 线条板时，可以涂折射率液解决，但线条变细后必 须加以粗略抛光才能看清楚。 2)抛光检验 在计算机辅助加工逐渐成熟的时代，抛光修改 面形和干涉仪结合使非球面加工面目为之一新。但 刀口检验是否完全可以退役了呢?不然!可以查 到，美国人一直认为激光干涉仪、刀口检验和星点 检验是三种基本检验方法。ZEMAX光学设计程序 的分析子程序中，也有误差的刀口阴影图显示功 能。从机械方法检测转到光学干涉检验之间有一道 “坎”，机械检测精度不够时，剩余误差太大，就 没法进行干涉检验。使机械检测和干涉检验能顺利 衔接，对大镜加工有至关重要的意义。有了数字化 干涉仪之后，光学加工检验的新军，用惯了干涉仪， 往往不愿，也不会用刀口检验。其实这是很不必要 的。刀口检验有其明显的优点：灵敏度很高，在 1／10 波长 (P-V)以内和干涉仪不相上下；设备价格便 宜；使用操作方便，十分容易接近被测件；动态范 围大，还可通过改变小孔光源直径或狭缝宽度来改 变灵敏度以适应误差逐步下降的需要。这第4个优 点使机械检测过渡到光学检验的 “坎”变得极其平 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 潘君骅：谈谈光学检测的指导思想 3 坦。对于制造4m口径的镜面来说，专配一台Zygo 干涉仪做阶段性的定量检验是理所当然的事。但从 提高整个加工过程的合理性来观察，干涉检验结合 刀口检验应该是最佳方案。 3 讨论本问题的实际意义 大型国防及军用光学仪器和装备，无论是空间 的、还是地面的，近几年来都呈现愈益迫切的需求。 空间对地精细观测、远程强光能传输都要用到大口 径光学系统。在这个领域，我国和美国的差距是十 分大的。即使和俄罗斯、法国相比，差距也很大。 我国做过的最大的天文望远镜，口径为 2．16m，相 对口径F／3；其次为1．56m。最近制造过口径 1．3m， F／2的抛物面。而国际上整口径的最大镜面早已到 8m，还是 F／2的。至于加工精度，国内加工 F／2， 口径在0．5m～0．6m的，无论是用经典办法还是计算 机辅助，都能做得很好。但是口径 1．3m，F／2的镜 面，加工质量还不够理想。根据我的观察，稍大一 些的镜面，加工不理想的主要原因是在于非球面磨 制过程中，尤其是细磨阶段的测量手段，不够理想。 所以，要做口径更大，F数更小的镜面，加工过程 中的测量是一个值得认真研究的课题。 参考文献 [1】Offner A．A null corrector for paraboloidal milTors．App1． OPt．．1963．2：l53 [2】Gascoigne，S C B．111e theory of the Foucault test．Mon．Not． R．Assort．Soc．．1944．1O4：326 [3】Bruning J H． Digital wavefront measuring interferometer for testing optical surfaces and lenses．App1．Opt．，1974，13， 2693 f41 W lf0rd W T On the limiting sensitivity ofthe star test for optical instruments．J．Opt．Soc．Am，1960，50：2 1 f51 Maracara D．Geometrical ronchi test of aspherical milTors． App1．Op t．．1965．4：1371 The Guiding Idea in Optical Inspection PAN Jun-hua (Institute of Modern Optical Technolog~Suzhou University,Suzhou 21 5006 China) Abstract The guiding idea means that one muSt consider which kind of technical line and what kind of instrument and method will be used before one doing any optical inspection．The computer makes the optical inspection method a great progress．But some traditional method s Still play important roles in their domain。As an example，how to make a 4-meter F／1．5 parabola is illustrated in detail． Key words optical inspection；measunng instrument；paraboloid；interferometer；Focault test 《光学与光电技术》征稿启事 ： 本刊欢迎光学与光电子领域的最新发展、研究动态、新技术、新成果和应用等方面的来稿。主要栏目有：光 i 电技术、激光技术、红外技术、紫外技术、光电器件、光电材料、光纤技术、光通信技术、光学薄膜、显示技术、 ÷ 全息技术、光存储技术、光学测量、遥感技术以及综述评论等。 稿件格式要求：(1)稿件包括：文题、作者姓名、单位全称、所在城市和邮政编码、摘要、中图分类号、关 ：I 键词、正文、参考文献、英文表述；(2)作者简介：姓名、出生年月、性别、职称／职务、学位、主要业绩和科 研方向，E_Ⅲai1。基金项目请注明资助名称及项目号；(3)中文摘要：以第三人称撰写，文字控制在300字以内， ： 应简明叙述论文的主要内容、研究目的、方法、结果和结论，突出稿件的创新性；(4)按照 中国图书馆分类法 (第4版) 标引分类法；(5)关键词：4～6个，要用能反映文稿特征内容、通用性比较强的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 性词或词组； ； (6)正文：字数控制在5千字以内，图幅以4．5 cmx7．0 cm为宜，照片需清晰，线图成比例，图表题注及文字 i 说明均需中英文对照列出；(7)参考文献：应是公开出版物，以GB／T 7714-1 987顺序编码制列出，每条内容应 包括：作者 (或译者，多于3人，第3人后用等或 f aL)、文题、期刊名 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