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生于扬州,学前随父母去过西安、长沙、桂林、昆明、合川,小学在重庆,中学在上海,50年到北京国立高工读书,并在北京工作,70年来三线工作.82年定居成都.95年退休.游戏智慧是47年随父亲皈依贡戛活佛的法号.一生奉献于我国的计量事业,工作勤勤恳恳,刻苦钻研,事业略有所成.退休后致力于总结多年工作中的经验.子女均自立,一代更比一代强.尽享天伦之乐.

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关于移相平面干涉仪的一些问题(原创)  

2017-01-20 19:47:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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关于移相平面干涉仪的一些问题

张成悌

摘要:

关键词:移相平面干涉仪 球面样板 平面样板 平晶 球面度 平面度

1.引言

移相平面干涉仪20世纪80年代出现的新仪器,主要用于光学行业检验光学样板。由于其分辨率高、观察直观,深受光学行业的青睐。为光学行业提高光学成像质量作了很大的贡献。目前这种仪器国内进口了千台以上,而且仪器的口径也由60100发展到200300。国内也有单位曾经研制过这种仪器。仪器进口价格在百万美元以上,由于中国需求量大,生产该仪器的公司甚至在中国建该仪器的装配厂。

2.移相平面干涉仪存在量值统一问题

移相干涉仪不仅检验光学样板,而且检验平晶。光学样板分球面样板和平面样板。平面样板实际是曲率半径为无穷大的球面样板。过去曾经把平晶与平面对板是同一个标准器的两个不同名称。平面对板是检验平面样板的标准器。球面样板主要控制其球面度与其曲率半径。检验球面样板的标准器是球面对板。球面对板是由一块凸样板和一块凹样板组成。它们的曲率半径在球径仪上测量,在干涉仪上它们成对的进行检验,检验球面度的主要部分干涉条纹(光圈)的△N,以及检验两块样板曲率半径的一致性即干涉条纹数(光圈数)N,各截面干涉条纹数N的差异也是球面度的组成部分。只要N与△N符合要求就认可这对样板为合格。并不需要分别求出凹、凸样板的N与△N各是多少。一般没有CCD的干涉仪最佳可以分辨N与△N达到1/20个干涉条纹。而平面样板就没有凹、凸样板之分,所以平面对板一般至少由三块组成。在每个组合中控制△N符合要求,通过三块互检求出某个截面的N,以判断是否合乎要求。用对板检验工作样板时,对板的误差一般是不修正的。

由于平晶是机械行业用来检验平面度的标准器,对平晶的要求当然是平面度而不是球面度。用干涉条纹来评定平晶的平面度与用干涉条纹来评定平面对板确定球面度时的N的方法是不同的。测量的结果也是不同的。平面度是用两条平行直线包容干涉条纹,并使其距离为最小。而球面度是用两个同心圆弧包容干涉条纹,此圆弧的弯曲量与条纹间距之比为其N。这些可以在平面平晶机械行业标准JB/T7401-94[1]]JJG28-2000[2]平晶检定规程与GB2831-2009光学零件的面形偏差国家标准[3]中可以看到。平晶从平面对板中分离出来始于20世纪70年代初期的平晶国家标准的建立。

由于光学企业设计光学零件时光学样板的曲率半径几乎没有相同的,所以光学样板没有必要在企业间统一量值。但是平晶是商品,可能会由不同的计量部门进行检定,还要进行周期检定,它就存在量值统一的问题。国内移相平面干涉仪数量较多,同一块平晶在不同的移相干涉仪检定得到不同的结果。如果检定结果的差异在测量不确定度的允许范围内则是正常现象。此差异超出仪器测量不确定度的允许范围则是出现量值统一问题。前几年移相平面干涉仪的平面测量量值的统一问题呼声甚高,尤其是军工口,因为他们拥有这种仪器的数量最多。

3.移相平面干涉仪的检定

军工口制定了GJBJ 6221-2008 数字式激光平面干涉仪校准规范[4]进行量值统一工作。而数字式激光平面干涉仪(即平面移相式激光干涉仪)应符合JJG336-83平面等厚干涉仪检定规程[5]中带标准平晶的平面等厚干涉仪的要求。因为它属于这一类的,只是数据处理不同罢了。

JJF1100-2003平面等厚干涉仪检定规范[6]也适用于带标准平晶的平面等厚干涉仪,但是该规范的主要技术要求是错误的,而且缺少带标准平晶的平面等厚干涉仪标准平晶在工作状态下的平面度要求。所以JJF1100-2003平面等厚干涉仪检定规范还不能取代JJG336-83平面等厚干涉仪检定规程。

现将JJG336-83平面等厚干涉仪检定规程关于带标准平晶的平面等厚干涉仪相关精度检定项目的表述如下:

9  带标准平晶的平面等厚干涉仪的准确度

  9.1 要  求

  对于带标准平晶的平面等厚干涉仪应进行准确度的检定,其准确度用平面度的偏差值来确定,其大小应不超过表4和表5的规定。

            4

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9.2 检定方法

对于一级平面等厚干涉仪用不少于三块标准平晶进行检定。标准平晶平面度检定的不确定度()应小于±0.01μm。考虑到标准平晶的平面度偏差,应对检定结果进行修正。修正后的检定结果,其最大相互差不得超过0.015μm,并取这些修正后的检定结果的平均值作为该仪器的准确度,其大小应不超过表4的要求。如这些结果的最大相互差超过0.015μm时应重新进行检定。

对于二级平面等厚干涉仪,用一块平面度检定的不确定度小于±0.01μm的标准平晶进行检定,其平面度偏差不超过0.015μm的可不进行修正。用标准平晶测得的仪器准确度应不超过表5的规定。

检定应在空气层厚度为550100mm三种尺寸分别进行,并在每一厚度上检定两个相互垂直的直径截面,取其最大值为为该空气层厚度的仪器准确度。

若仪器附有的标准平面多余一个,应对每个标准平面一一进行检定。

JJG336-83关于仪器检定时的对室内温度稳定性在表2作了这样规定。Φ100以上的在24小时内温度的变化不超过1.0°C,在1小时内的变化不超过0.1°。

再看看GJBJ 6221-2008 数字式激光平面干涉仪校准规范的相关项目是如何阐述的:

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比较JJG336-83GJBJ6221-2008可以看出在检定环境方面国军标校准规范没有像83检定规程有24小时温度变化不得超过1°的要求。1小时温度变化小于0.5°也比83检定规程的0.1°大了很多。我们知道平晶的检定不确定度中温度分量占7080%。仪器对平面度的要求国军标规范几乎是83检定规程的两倍。国军标规范对仪器检定有两种方法,一是用标准平晶在其仪器上比较测量干涉仪的参考平晶;二是用“三面法”校准仪器的参考平晶。A+B,A+C,B+C,B(180°)+C,共测量四次。规范没有说明第四次转180°的检定结果如何参与计算,在计算中起什么作用。可能是用来评估测量不确定度。规范也没有明确表2标准平晶的要求是如何实现的。

83检定规程用不确定度(k=3)不超过0.01μm三块标准平晶校准仪器所带的参考平晶,每次测量要把标准平晶的偏差进行修正,三次测量结果互相差不得超过0.015μm,否则要重新测量。并取平均值为其测量结果。这样仪器所带的参考平晶的不确定度(k=3)才能满足0.01μm的要求。不带标准平晶的平面等厚干涉仪不存在检定仪器的平面度。所用标准平晶按平晶检定规程进行检定。并明确平面等厚干涉仪只能检定直径100mm以下的1级平晶,150mm以下的2级平晶。并不是平面等厚干涉仪测量干涉条纹弯曲度的精度不够,用测微目镜测量干涉条纹弯曲度和条纹间距可以达到1/401/50条纹。而是仪器的保温状况不是很良好,以及平晶检定时自重变形的影响较复杂。所以平面等厚干涉仪不能检定150mm1级平晶。

移相平面干涉仪是一种带标准平晶的平面等厚干涉仪,它与一般的平面等厚干涉仪的区别是数据处理不同。所以它应符合JJG336-83平面等厚干涉仪检定规程(JJF1100-2003平面等厚干涉仪校准规范存在严重的技术错误,并且没有给出带标准平晶的平面等厚干涉仪准确度的检定项目。)中带标准平晶的平面等厚干涉仪准确度的各项要求。

    GJBJ6221-2008中还有一个指标是均方根偏差rms,有关文献[7]是这样阐述的。

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根据表达式是波面某点的实际值与波面理论值之差的均方根值。也是N的均方根值,也就是球面度的均方根值。作为平晶并没有这项要求,而平晶是要求平面中心2/3D的区域内的平面度。因为移相干涉仪主要检验光学样板,有这项要求也是可以理解的。

4.标准平晶平面度的检定

    在国军标GJBJ6221-2008的表2中关于标准平晶的扩展不确定度给出Φ150及以下的为不超过0.010μmΦ200不超过0.020μmΦ450不超过0.040μm。这些数据是经过大量实验得出来的,还是评估出来的。还是仪器生产厂提供的。(未完)

 

 










参考文献

1.JBT7401-94平面平晶 (机械行业标准) 机械工业部1994-8-23批准

2.郭德等(湖南省计量测试技术研究所).JJG28-2000《平晶》检定规程.国家质量技术监督局批准、发布

3.GB 2831-2009 光学零件的面形偏差.国家质量技术监督检验检疫总局批准、发布

4.王生云等(兵工205)GJBJ 6221-2008 数字式激光平面干涉仪校准规范.国防科学技术工业委员会发布

5.张成悌(中国测试技术研究院).JJG336-83平面等厚干涉仪检定规程.国家计量局批准、发布

6.冉庆等(中国测试技术研究院)JJF 1100-2003 平面等厚干涉仪校准规范.国家质量技术监督检验检疫总局批准、发布

7.武旭华.φ300mm移相干涉仪的关键技术研究.南京理工大学博士论文2007.8

 
 
 
 

 

    

 
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