制造光学元件所用到的测试测量方法

　　制造光学元件时， 常常需要得到十分精确的平面、球面等， 为此我们必须检查元件表面的质量，最简单的方法是用样板检验。我们通过观察干涉条纹的形状来判断被检表面的缺陷，从而进行相应的磨制， 最终达到我们的标准要求。

　　在制造光学元件时，常常需要得到十分精确的平面、球面等，为此我们必须检查元件表面的质量，最简单的方法是用样板检验。下面笔者对此问题做以分析和探讨。

　　1.检查平面的平整度

　　如图1(a)所示，若被检查的表面A是不规则的平面，则可在A上放一标准样板B，使其一端P相接触，另一端Q处垫一薄片，这样便在A、B两表面间得到一个空气的劈形薄膜。若薄膜很薄，光在薄膜表面的入射角又不大(通常我们采用单色光垂直入射)的情况下，等厚条纹定域在膜的表面，故眼睛注视薄膜表面就可看到等厚干涉条纹，通过观察干涉条纹形状来判断被检表面的缺陷，从而进行磨制以最终达到要求。

　　1.1 若观察到的等厚条纹是如图 1(b)所示的平行于尖劈棱边的等间距的直线条纹，则表明表面是精确的平面。

　　1.2 观察到的等厚条纹是如图1(c)所示有局部弯向棱边，这表明在工件表面的相应位置处有一条垂直于棱边的不平纹路，下面我们做以具体分析，我们知道，同一等厚条纹应对应相同的空气厚度，所以在同一条纹上，弯向棱边的部分和直的部分所对应的空气厚度应该相等。本来越靠近棱边膜的厚度应越小，而现在在同一条纹上近棱边处和远棱边处厚度相等，说明工件表面的纹路是凹下去的，即在工件表面有一垂直于棱边的凹痕。没凹痕的深度为△h，由图(1c)可知 AD/AB=AE/AC，而AC为相邻干涉条纹对应的空气厚度之差，即为λ /2，而 AE 即使凹痕的深度△h，故a/b=△ h/(λ /2)，即△h=(a/b)(λ/2)。同理，若观察到的等厚条纹有局部远离棱边方向发生弯曲，如图1(d)所示，则表明工件表面有一垂直于棱边的凸痕，凸起的高度应为?h=(a/b)(λ/2)。

　　1.3 若观察到的条纹如图1(e)所示，干涉条纹全部弯向棱边，这表明被检表面是一很接近平面的凹球面。对于这种情形，我们可以看作是图1(c)所示的情形在整个工件表面的延展，其不平度即工件表面偏离平面的最大偏差，在这种情形下，也即是被检表面A中心凹下的深度△ h=(a/b)(λ/2)。相反，若观察到如图1(e)所示的干涉条纹，条纹全部沿远离棱边方向发生弯曲，则被检表面是一很接近平面的凸球面。其凸起的高度△h=(a/b)(λ/2)。

　　2.检查球面表面

　　常用的仪器中，透镜表面多是球面或平面。在磨制时，也要检查其完善程度和曲率半径是否符合要求。方法和前面类似，是将所磨制的球面与玻璃样板进行比较，玻璃样板是一块硬质玻璃板，它的一个表面是符合设计要求的球面，另一个表面是平面。把透镜和样板比较时，样板的作用类似于检查平面时用的标准平面玻璃板。若要磨制的透镜表面A是凸面，则用凹面样板B放在透镜上，用单色光垂直照射，并观察两者之间的空气膜形成的干涉条纹，通过条纹形状来判断球面的缺陷。

　　1 当样板B 正放在A 面上不倾斜时，如图2(a)所示，在视场中未看到任何条纹;而当样板略微倾斜时，如图2(b)所示，观察到等间距的平行直条纹，则说明被检表面A完全符合设计要求。若当样板B略微倾斜时，观察到如图2(c)所示的条纹，则表明被检表面A半径准确，但面上有一条沿CD方向的凹痕，其凹痕深度为△h= (a/b)(λ/2)。

　　2 当样板 B 正放在A上时，观察到牛顿环，如图 2(d)所示的明暗相间不等间距的同心圆环，则表明球面半径有误差。由牛顿环的原理知，两表面(被检表面与样板表面)之间的空气隙形成一个厚度变化的空气膜，当厚度为 j(λ /2)时，就观察到暗纹;当厚度为(j+1/2)(λ /2)时，就观察到亮纹。

　　因此，两相邻暗纹之间空气膜的厚度相差λ /2，每一暗条纹的出现表明被检表面与标准样板间的偏差增加λ /2。故测出暗条纹的数目N就可知透镜表面与玻璃样板的半径偏差△ d=N(λ/2)。

　　当观察到图 2(e)所示的条纹时，说明球面既有不规则的区域又有半径误差。这两种缺陷都会影响仪器的成像质量，但比较起来，由于半径误差而产生的影响较小。因此磨　的透镜表面在半径上可以允许有一些偏差。通常，对于中等精度的光学元件，如果用样板检查时看到整个透镜表面有3-5条圆形条纹，还是允许的。但是透镜表面的规则程度要求则较高，因其对成像质量的影响比较严重。

　　根据以上对条纹形状的分析，我们可以得知被检表面存在的缺陷，从而在此基础上进行相应的磨制，最终达到我们所需要的标准的平面或球面。