光学零件表面疵病检测仪技术方案探讨

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1、维普资讯http://www.cqvip.com1989年第12卷第2期长春光学精密机械学院学报1989J．CHANGCHUNINST．OPT．＆FINEMECH．光学零件表面疵病检测仪技术方案探讨宋玉昆(应用光学研究所)摘要本文叙述了光学零件表面疵病捡测仪的技术方案。它是光、机、电、算一体化的精密自动刹量仪器。在设计方案中采用j激光散射，旋转扫描，纵横微调、自动光电补偿、快速数据处理等方法，并对某些关键部件设计进行j较详尽的阐述。关键词激光散射，旋转扫描，自动光电补偿1引言随着科学技术的进步，在众多的应用

2、领域中，对光学零件表面质量要求越来越高。例如高性能的成像系统和环形激光陀螺都要求光学表面在廉予尺度上是光滑的、无缺欠的。大功率激光系统某些光学零件，只能用单点金刚石加工才能满足要求。因此，不仅要有高精度的加工装备，而且还要有先进的检测方法和检测仪器才能N-E出高质量的光学零件。利用一般光学手段，对光学零件实现表面疵病自动检测是困难的。其原因是，由于光学零件的形状、尺寸，材料及其内部的均匀性等因素对表面疵病的测量都有直接影响。尤其是疵病的明视度差别极小(--f能明显改变成像系统的特性1，且形状复杂，给检测带来

3、一定困难。在科学技术飞速发展的今天，可利用光电子技术，计算机技术实现快速、高精度自动检测光学零件表面疵病，检测出疵病大小，形状，数量及其分布。本文具体叙述仪器的技术方案。按部颁标准，对光学零件表面检测定级，并打印出疵病分布图像。2仪器工作原理仪器原理如图1所示。根据光的散射理论，在均匀介质中，光只能沿着折射光线的方向散射。因组成物质的原子或分子内带电粒子谴准弹性力保持着，在平衡位置附近按收稿日期】988一OT一0维普资讯http://www.cqvip.com第2期光学零件表面疵耦检驯仪挂术方案探讨61固有

4、频率振动。在入射光的作用下，带电粒r_二=二====回子发生极陀，并以入射光的频率做强迫振动动，形成振动偶极子而发出次波，在均匀介质中，这些次波迭加的结果，使光只能在折射方向继续传播下去。其他方向因次波相干而抵消，没有光出现。但是在非均匀介质中，因不均匀介质破坏了次波的相干性而出匝H圈现散射光。利用这～理论，在光学零件中因密度大小，各向异性，表面疵病等都会引起困置I#☆HL不均匀而产生散射光。目l(本仪器采用He—Ne激光器，光束经会圈聚后射到被测表面，在扫描过程中，当遇到表面疵病则产生强的散射光。用光电器

5、件接收这些散射光，经信号处理，在计算机统一管理下，计算出各国扫描速度，并测定出散射光引起的电脉冲宽度，即扫过疵点所需时间，就可计算出该疵病点在扫描方向上的尺寸。例如，为第m固的线速度，为第m圈上的散射光电信号宽度，并考虑到信号电平的切割基准是调定的，则在m凰上出现疵病宽度S=KTV。式中由实验决定，111值由待检镜片直径及转动工作台上狭缝产生的同步信号决定3光学系统设计．1技术指标本仪器设计在扫描方向分辨率为0．5，转轴径向分辨率为2“。虽然He—Ne激光6~28~普线可聚／,}iNo．7g[】]，但实现困

6、难，产生的光电信号脉宽较窄，检测效率低，因此取聚焦光斑直径为2“。选用稳定度高的He—Ne激光器，输出功率2mw，功率稳定度每小时变化不大于iO嘶。5．2聚焦透镜的设计水仪器光学系统最关键的是聚光镜，激光束聚焦后焦斑R寸不能大于2it，否则不能达到设计分辫率，而且功率密度减少不利于接收。变换光路如图2所示。其中。、为变换前后的激光束腰半径，z，z为束腰离透镜L的距离J，为L处的渡阵耐曲率半径j，为光束在￡上的口径。对于高斯光束，满足如下变换式：111一{{一}-t1)维普资讯http://www.cqvip

7、.com长春光学精密杌械学院学报980年在透镜两侧一，导出关系式[!]f=W0【+(斋)】士R=Z【+(一)】由式(2)、式(3)得出=z【+(一)-t(4)Z=R[+()r(5)同理变换后=，【1+(普)Z：R1+()]一对于激光束聚焦须选用短焦距透镜，所以有月》，，11]1一号lI¨一了1_¨，即Rr≈一，，，则(7)可写成z，一月，【1+(‘1-1=-／，【1+()丁。著一音缶《l，则式z=，。即高斯光束经短焦距会聚后束腰位置在焦点附近。若取：4mm，f=2Omm，^=6328A，则{一o．0o025

8、《1，由式(6)得；=，【1+()P～等=0、O01lllm焦斑直径2：0．002mm，因此选，，=20ram，D=4mm，D／／=1的透镜即可满足要求。轴上球差经过校正，其他象差不傲特殊要求。4机械系统设计4．1技术要求a)被测零件绕其球心与顶点轴转动。b)被测零件每转一周，发出一光电信号傲为同步信号，并使光点沿旋转轴径向步进2，邸水平移动一个光点大小矩离。c)聚焦光点应始终跟踪被测表面，郎根据表面形状聚焦镜应