光学样板标准和应用

前言：

主要介绍为光学加工中的光学检测样板相关内容；在光学设计中，设置的面形公差可以使用光学样板检测，通过样板与被检元件贴合，其表面的间隙形成光圈，通过光圈数和局部光圈数判断面形偏差，在光学制造中常用的面形检测。

光学样板（Optical Master）通常指的是在光学和光电子领域中用于测试和校准光学系统的标准参考物体。这些样板具有精确的几何特征，如线条、图案、纹理等，它们可以用来：

1. 校准光学仪器：确保仪器的精确度和重复性。
2. 质量控制：在制造过程中检查光学元件的质量。
3. 研究和开发：在光学系统设计和测试中使用，以验证理论模型和设计参数。
4. 测量光学特性：如分辨率、对比度、光学畸变等。

光学样板也可以是实体的物理对象，也可以是数字图像，用于在计算机模拟中模拟光学系统的行为。

一、光学样板检测原理

       抛光后零件的面型精度通常是用光学样板来检验的。样板和零件接触时曲率半径大小的差异，反映为两接触表面间空气隙的大小。当两接触表面存在微小的空气隙时，入射光线通过该两表面进行反射或透射，两束反射光相干涉的结果形成干涉条纹。光学加工行业中习惯称这组干涉条纹为光圈，光源是单色光时出现明暗相间的条纹，当用白光时则呈现彩色条纹。每一条纹和一定的空气隙厚度相对应。由等厚干涉理论可知，两条相邻的干涉条纹之间的空气隙厚度差Δh=λ/2，因此第n道光圈处对应的空气隙厚度为h=nλ/2。对于白光，若取波长λ的平均值为0.5µm，则相差一个光圈时，其厚度差即为0.25µm。

       样板因为作为标准使用，要求面型精度高，它相对理想面的误差应在0.5光圈以内。制作样板的材料要求耐磨、膨胀系数小，以保持稳定，所以通常用石英玻璃、轻冕玻璃、K4、K9等材料制作样板。

参考：

●牛顿环是指，将光学样板和样品贴紧时产生的彩虹色条纹，从这种条纹的形状和圈数可以推测样品的面型精度。

注意：

1.作为光学样品使用时，由于样品与样板接触，样品可能会有损伤。如果不能使样品产生损伤时，请使用激光干涉仪等进行检查。

2.光学样板的条纹圈数约为由干涉仪得到的PV值解析结果的2倍。

3.光学样板为了保持面型精度而没有镀膜。

4.光学样板有裂缝，边缘有缺口时，面型精度有可能会变差。存在裂缝或缺口时请更换新的样板。

二、样板介绍

光学样板简称样板,按用途分为标准样板和加工样板,前者用于复制工作样板,后者用于检验光学零件;按形状又分为球面样板、平面样板和柱面样板。
样板是光学零件制造过程中使用最广泛、最简便的一种精密测量工具。因此,在光学零件生产技术准备阶段，必须先设计和制造一套标准样板和一定数量的工作样板。球面光学样板的制造与球面零件制造,虽然有许多类似之处，但由于样板是测量工具,要求面形精度比一般透镜高得多，因此,为了保证其高精度，球面样板往往成对制造。

光学祥板分为标准样板和工作样板两类，前者是制造工作样板的依据，而且为保证曲率半径和表面形状的准确，标准样板必须成对制造(故亦称对板)。而后者则是直接用于检验光学零件，即测定光学零件曲率半径和表面形状的基本量具，俗称样板。

三、球面/平面样板的型号和尺寸；

1、球面样板的型号和尺寸

(一)、弧形工作样板
弧形工作样板是使用最广泛的一种样板,如图9-2所示。它用于R>5mm的情况弧形工作样板的口径D,一般应大于光学零件被检验口径1~5mm。样板的高度 H,根据口径D大小和矢高h确定,通常在 20~40mm 之间。球面工作样板直径应大于光学零件被检验部分的直径，高度H应大于或等于D/6+h；其中D为样板直径，h为矢高。

(二)、带放大镜的工作样板
检验小透镜 R<5mm时,一般多用带放大镜的工作样板,常用的型式如图9-3 所示放大镜曲率半径 r 的确定，以满足被检“件整个R面上都能清楚看到光圈为原则，同时还必须具有能够清楚的判断N及ΔN的适当放大率,一般以5x左右为好。

（三)、带把工作样板
对于 R<10mm的工作样板,为了使用方便并减少手温的影响,也可在样板的背面,用冷胶胶上一个把,如图 9-4所示。

   (四)、等弧厚工作样板
为了能清楚地观察到接近半球零件整个R面上的光圈,亦可把样板的观察面磨成与测量面之R相同的弧形,即称作等弧厚样板,如图 9-5 所示。

2、平面样板的型式和尺寸

平面样板有圆形和方形两种形式。圆形平面样板是使用最多的一种；

四、球面样板的精度分析

1、精度等级

由于光学零件的面形误差直接影响光学系统的成像质量,所以作为测量光学零件面形误差的光学样板,必须具有相应的精度等级。光学样板的精度等级标准,是根据光学设计的需要和光学工艺及测试水平确定的。
在光学样板国家标准中,规定了A、B两个精度等级,见表：

1、在R=0.5~35mm区段中,光学样板一般都做成超半球或全球(套制对板),故在制造中用千分尺或立式光学比较仪直接测量直径,来控制半径R的误差,其精度可达微米数量级,即半径R的精度可达0.5um以上,故在此区段的半径允差绝对值以“μm”数表示。

2、在: R=35~40000mm范围内的光学样板,一般都做成弧形。对常用半径,多用球径仪先测出矢高,然后用球径仪公式换算得出其实际的半径R。在评定精度时,一般以相对误差ΔR/R表示,即精度等级规定允差,用相对R名义尺寸的百分比表示。

2、光学样板的面形精度

光学样板的面形精度是其最重要的特征。为保证达到所要求的精度，並使生产经济合理，根据误差分布规律，对不同半径区间的样板面形误差，即光圈数亦应给予不同数据；

合理的给定样板的光圈很重要，但在实际工作中往往忽略了这一点。值得指出的是人们常常误认为样板的光圈对象质没有影响，而只是对正确判断ΔN起作用，其结果就导致只重视ΔN，而在图纸上不恰当的给出了按样板修正零件的N。所以有时出现了光圈虽好，但象质不好，或象质好时，光圈又不好的现象。特别是给出超出允差范围的样板光圈时，将使象差值改变，而引起象质降低。所以在确定光学样板的制造公差时，要根据具体条件，尽可能采取有效措施，以补偿对象差的影响。

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