JJF 1739-2019数字式激光球面干涉仪校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 7 3 92 0 1 9数字式激光球面干涉仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rD i g i t a lL a s e rS p h e r i c a l I n t e r f e r o m e t e r s 2 0 1 9-0 9-2 7发布2 0 1 9-1 2-2 7实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布数字式激光球面干涉仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rD i g i t
2、 a lL a s e rS p h e r i c a l I n t e r f e r o m e t e r sJ J F1 7 3 92 0 1 9 归 口 单 位:全国几何量工程参量计量技术委员会 主要起草单位:中国科学院光电技术研究所中国测试技术研究院 参加起草单位:中国计量科学研究院苏州慧利仪器有限责任公司 本规范委托全国几何量工程参量计量技术委员会负责解释J J F1 7 3 92 0 1 9本规范主要起草人:侯 溪(中国科学院光电技术研究所)全海洋(中国科学院光电技术研究所)冉 庆(中国测试技术研究院)宋伟红(中国科学院光电技术研究所)参加起草人:康岩辉(中国计量科学研究院
3、)韩 森(苏州慧利仪器有限责任公司)J J F1 7 3 92 0 1 9目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和定义(1)3.1 面形偏差(1)3.2 峰谷值(1)3.3 P V r值(1)3.4 球面元件F数(1)4 概述(1)5 计量特性(2)5.1 示值误差(2)5.2 测量重复性(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 校准用标准器(2)7 校准项目和校准方法(3)7.1 示值误差(3)7.2 测量重复性(5)8 校准结果表达(5)9 复校时间间隔(5)附录A P V r值(6)附录B 三位置法公式推导(7)附录C 数字式激光球面干涉仪直接比较法校准不确定
4、度评定示例(9)附录D 数字式激光球面干涉仪三位置法校准不确定度评定示例(1 1)附录E 校准证书信息及内页格式(1 5)J J F1 7 3 92 0 1 9引 言本规范的编写以J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则、J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义和J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示为基础和依据。本规范为首次发布。J J F1 7 3 92 0 1 9数字式激光球面干涉仪校准规范1 范围本规范适用于数字式激光球面干涉仪的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J F1 1 0 02 0 1 6 平面等厚
5、干涉仪校准规范G B/T2 8 3 12 0 0 9 光学零件的面形偏差I S O1 4 9 9 9-4:2 0 1 5 光学和光子学 光学元件和光学系统的干涉测量 第4部分:I S O1 0 1 1 0规定的公差说明和评估(O p t i c s a n dp h o t o n i c sI n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n to fo p t i c a l e l e m e n t sa n do p t i c a l s y s t e m sP a r t4:I n t e r p r e t a t i o na n
6、 de v a l u a t i o no f t o l e r-a n c e ss p e c i f i e d i nI S O1 0 1 1 0)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用本规范。3 术语和定义G B/T2 8 3 12 0 0 9、I S O1 4 9 9 9-4:2 0 1 5界定的及以下术语和定义适用于本规范。3.1 面形偏差 s u r f a c e f o r md e v i a t i o n被测光学表面相对于参考光学表面的偏差。3.2 峰谷值 p e a k-t o-v a l l
7、 e y(P V)v a l u e面形偏差最大值减去最小值,简称P V值。3.3 P V r值 r o b u s tp e a k-t o-v a l l e y(P V r)v a l u e面形偏差的3 6项Z e r n i k e多项式拟合面P V值加上3倍拟合残差(面形偏差减去3 6项Z e r n i k e多项式拟合面)的均方根值。注:Z e r n i k e多项式定义按I S O1 4 9 9 9-4:2 0 1 5附录B标准定义。3.4 球面元件F数 Fn u m b e ro f s p h e r i c a l o p t i c s球面曲率半径与通光口径的比值。
8、注:被测球面元件F数应当小于或等于数字式激光球面干涉仪球面镜头F数,才能实现数字式激光球面干涉仪全口径校准。建议选取F数最接近(略小于)被校准数字式激光球面干涉仪球面镜头F数的被测球面元件,同时光腔长度应尽可能短以提升测量重复性。4 概述数字式激光球面干涉仪主要用于球面光学元件面形偏差的测量。数字式激光球面干涉仪通过其球面镜头产生参考光和测试光,测试光入射到被测球面元件表面并反射回来,携带被测球面元件面形偏差信息的光波与参考光形成干涉条1J J F1 7 3 92 0 1 9纹,采用移相技术和干涉仪球面镜头F数相匹配的解相位算法,对干涉条纹进行处理得到被测球面元件面形偏差信息,可提供面形偏差图
9、和P V、r m s、P V r等数值。数字式激光球面干涉仪的工作原理结构示意图如图1所示。图1 数字式激光球面干涉仪工作原理结构示意图1数字式激光球面干涉仪;2被测球面元件;3计算机5 计量特性5.1 示值误差示值误差通常以P V r值(见附录A)表示,其最大允许值见表1。表1 P V r最大允许值及测量重复性要求准确度级别/4 0/2 0/1 0P V r最大允许值1 5.8n m3 1.6n m6 3.3n m测量重复性3.2n m6.3n m1 2.7n m 注:=6 3 2.8n m。5.2 测量重复性校准时测量重复性应满足测量重复性要求,具体要求见表1。注:校准工作不判断合格与否,
10、上述计量特性要求仅供参考。6 校准条件6.1 环境条件校准室内温度为(2 02),温度变化1h不超过0.2。相对湿度:3 0%6 5%。实验室应无影响测量的振动、空气扰动和尘埃。校准前被校数字式激光球面干涉仪在检测实验室内温度平衡时间不少于2 4h,校准用标准器温度平衡时间不少于4h。6.2 校准用标准器校准用标准器见表2。2J J F1 7 3 92 0 1 9表2 校准用标准器序号校准项目准确度级别校准用标准器名称技术指标1示值误差/4 0/2 0/1 0标准球面反射镜P V r 1 0.5n m(/6 0)P V r 2 1.0n m(/3 0)2测量重复性/4 0/2 0/1 0标准球
11、面反射镜P V r 1 0.5n m(/6 0)P V r 2 1.0n m(/3 0)7 校准项目和校准方法首先检查数字式激光球面干涉仪外观和各部分相互作用,确定没有影响校准计量性能的因素后再进行校准工作。7.1 示值误差7.1.1 直接比较法直接比较法适用于准确度为/1 0级和/2 0级球面干涉仪的校准。首先根据数字式激光球面干涉仪球面镜头F数选择与之匹配的标准球面反射镜,/1 0级数字式激光球面干涉仪需要选择P V r小于或等于2 1.0n m(/3 0)的标准球面反射镜,/2 0级数字式激光球面干涉仪需要选择P V r小于或等于1 0.5n m(/6 0)的标准球面反射镜,并且数字式激
12、光球面干涉仪解相位算法需要与F数相匹配。然后将标准球面反射镜安装在调整架上,通过精密调整使干涉条纹为零条纹或者条纹数最少(此时标准球面反射镜曲率半径中心与干涉仪球面镜头焦点重合,即共焦位置),通过软件去除常数项、倾斜项和P o w e r项后,得到数字式激光球面干涉仪面形测量结果M(i,j),被校准数字式激光球面干涉仪的测量面形偏差I(i,j)按式(1)计算求得:I(i,j)=M(i,j)(1)式中:i x方向测量点序号,i=1,2,im a x;j y方向测量点序号,j=1,2,jm a x;I(i,j)数字式激光球面干涉仪的测量面形偏差,n m;M(i,j)数字式激光球面干涉仪直接比较测量
13、得到的面形偏差,n m。按P V r定义计算数字式激光球面干涉仪测量面形偏差I(i,j)的P V r值,见式(2),最后将P V r值作为数字式激光球面干涉仪测量面形偏差示值误差的校准结果。P V r=P V3 6Z e r n i k e s+33 6Z e r n i k e R e s i d(2)式中:P V3 6Z e r n i k e s 3 6项Z e r n i k e多项式拟合面P V值;3 6Z e r n i k e R e s i d 数字式激光球面干涉仪测量得到的面形偏差减去3 6项Z e r n i k e多项式拟合面后拟合残差的均方根值。3J J F1 7 3
14、92 0 1 97.1.2 三位置法图2 三位置法测量示意图 L(i,j)数字式激光球面干涉仪球面镜头透射波前误差;R(i,j)数字式激光球面干涉仪参考面面形偏差;S(i,j)标准球面反射镜的面形偏差三位置法适用于/4 0级数字式激光球面干涉仪的校准。首先根据数字式激光球面干涉仪球面镜头F数选择与之匹配的标准球面反射镜,并且数字式激光球面干涉仪解相位算法需要与F数相匹配。然后将标准球面反射镜安装在调整架上,调整使标准球面反射镜顶点位于数字式激光球面干涉仪球面镜头焦点位置(即猫眼位置),如图2(a)所示,精密调整标准球面反射镜使干涉条纹为零条纹或条纹数最少,通过软件去除常数项、倾斜项和P o w
15、 e r项后,得到数字式激光球面干涉仪猫眼位置面形测量结果M0(i,j);然后将标准球面反射镜移动到共焦位置,精密调整标准球面反射镜使干涉条纹为零条纹,进行0 位置共焦测量,如图2(b)所示;最后将标准球面反射镜绕光轴旋转1 8 0,精密调整标准球面反射镜使干涉条纹为零条纹,进行1 8 0 位置共焦测量,如图2(c)所示。通过软 件 去 除 常 数项、倾 斜 项 和P o w e r项后分别得到0 和1 8 0 位置共焦测量结果。三个位置测量完成后,代入式(3)计算得到数字式激光球面干涉仪测量面形偏差I(i,j):I(i,j)=R(i,j)+(i,j)=12M1(i,j)+M2(i,j)-M3
16、(-i,-j)(3)4J J F1 7 3 92 0 1 9 式中:R(i,j)数字式激光球面干涉仪参考面面形偏差,n m;(i,j)数字式激光球面干涉仪系统测量面形偏差,包括其内部结构以及算法引入的误差,n m。式(3)中,M1(i,j)、M2(i,j)和M3(-i,-j)为三个位置对应干涉测量结果,分别表示如下:M1(i,j)为猫眼位置 测 量 结 果M0(i,j)与 绕 其 数据 中 心 旋 转1 8 0 后 的 数 据M0(-i,-j)之和:M1(i,j)=M0(i,j)+M0(-i,-j)=R(i,j)+(i,j)+R(-i,-j)+(-i,-j)(4)M2(i,j)为0 位置共焦测
17、量结果:M2(i,j)=R(i,j)+S(i,j)+(i,j)(5)式中:S(i,j)标准球面反射镜的面形偏差,n m。M3(-i,-j)为1 8 0 位置共焦测量数据M3(i,j)绕其数据中心旋转1 8 0 后结果,M3(i,j)如式(6)所示:M3(i,j)=R(i,j)+S(-i,-j)+(i,j)(6)最后按式(2)计算数字式激光球面干涉仪测量面形偏差I(i,j)的P V r值,将P V r值作为示值误差校准结果。7.2 测量重复性按7.1.1的方法进行测量,重复测量n次(n1 0),按式(7)计算面形偏差P V r的标准偏差:s=1n-1ni=1(xi-x)2(7)式中:s 标准偏差
18、,n m;xi 第i次测量的P V r值,i=1,2,3,n,n m;x n次测量的P V r值的算术平均值,n m;n 测量次数。8 校准结果表达对校准的数字式激光球面干涉仪出具校准证书。校准证书内容及内页格式见附录E。9 复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由数字式激光球面干涉仪的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的。因此,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议一般为1年。5J J F1 7 3 92 0 1 9附录AP V r值A.1 P V r值根据P V r的定义,光学元件的面形偏差可以采用3 6项Z e r n i k e多项式拟合波面来描述面形偏差的低频部
19、分,而高频部分则采用3倍拟合残差均方根来描述。对于圆形孔径,数字式激光波面干涉仪容易根据P V r定义计算出P V r值。A.2 P V r值校准示例图A.1为三位置法中猫眼、0 和1 8 0 位置共焦测量结果,根据式(3)得到/4 0级数字式激光球面干涉仪测量面形偏差校准结果,如图A.2所示。(a)猫眼位置 (b)0 位置共焦测量 (c)1 8 0 位置共焦测量图A.1 三位置法三个位置的测量结果 图A.2分别给出了该/4 0级数字式激光球面干涉仪测量面形偏差的3 6项Z e r n i k e多项式拟合面形和拟合残差,其中3 6项Z e r n i k e多项式拟合面形的P V值是1 0.
20、6 8n m,拟合残差的r m s值是0.6 5n m,所以根据式(2)得到P V r=1 0.6 8n m+30.6 5n m=1 2.6n m。P V:1 6.9 5n m,r m s:1.9 7n m P V:1 0.6 8n m r m s:0.6 5n m (a)测量面形偏差结果 (b)3 6项Z e r n i k e拟合面形 (c)拟合残差图A.2 P V r值求解示例图6J J F1 7 3 92 0 1 9附录B三位置法公式推导 根据干涉测量原理,同时假设数字式激光球面干涉仪内部结构和算法会引入系统误差(i,j),则猫眼位置测量结果见式(B.1)如图2(a):M0(i,j)=
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