一种球面在线检测系统及其结构设计

　　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。

　　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。