干涉仪标准镜怎么选？ - 联景光电科技（北京）有限公司

测量球面时，同一台干涉仪往往要配F/0.75、F/1.5、F/3.3、F/7.2等不同规格的传输球。

这些数字不是放大倍率，也不能直接代表测量精度。它们真正决定的，是传输球能够提供多大的球面光锥，以及这束光能否覆盖被测球面的完整有效口径。

01｜传输球到底做了什么？

典型的激光Fizeau干涉仪，在附件接口处输出的是准直光。测量平面时，可以在主机前安装传输平晶；测量球面时，则需要安装传输球，把准直光转换成高质量球面波。

传输球最后一个高精度球面同时作为参考面：少量光在这里反射，形成参考波；其余光透射后形成测量波，先会聚到焦点，再从焦点向外发散。

测量时，被测球面的曲率中心需要与传输球焦点重合。凹球面通常放在焦点后的发散光束中，凸球面则位于焦点前的会聚光束中。

因此，更换传输球并不是在改变普通镜头的“倍率”，而是在改变测试球面波的角度范围。

图1 凹球面与凸球面的典型测试位置

图1｜凹球面位于焦点后的发散球面波中，凸球面位于焦点前的会聚球面波中。

传输球的F数定义为：

其中，是焦距，是有效入瞳直径。

F数越小，焦点附近的光锥越大；F数越大，光锥越小。

图2 不同F数对应不同的焦点光锥

图2｜上图为较高F数、较小光锥；下图为较低F数、较大光锥。

还要把两个指标分开：F/0.75、F/1.5、F/3.3描述的是几何覆盖能力；λ/10、λ/20等指标描述的才是参考波前或系统误差等级。F数小，并不等于测量精度高。

假设两个球面的曲率半径都是100 mm，但有效口径分别为20 mm和80 mm。

两者的曲率完全相同，但80 mm口径使用了球面上离光轴更远的区域。到了有效口径边缘，表面法线与光轴的夹角更大，因此需要更大的测试光锥才能照到边缘。

问题不在于它“曲率更大”，而在于：相同曲率半径下，有效口径越大，边缘所需的光线角度越大。

为了同时考虑曲率半径和有效口径，球面干涉测量中常使用R/#：

其中，是被测面的曲率半径，是实际需要测量的有效口径，不一定等于零件机械外径。

上面的两个球面分别为R/5和R/1.25。R/#数值越小，完整口径所需的光锥越大。

要让最外侧光线到达被测面的有效口径边缘，传输球提供的光锥不能更小，因此应满足：

注意，比较的是两个无量纲比值，而不是拿F数与以毫米为单位的曲率半径直接比较。

例如，某球面的曲率半径为150 mm，有效口径为60 mm，则其R/#为R/2.5。若使用F/3.3传输球，因为3.3大于2.5，光锥不足，只能测到中央部分。

按照传输球选型资料采用的线性口径关系，覆盖比例约为：

此时相机中仍可能看到清晰条纹，但条纹只对应中央约76%的直径范围，边缘并未进入测量。

图3｜Figure 6：F/#大于R/#，光锥不足，只能覆盖部分口径；Figure 7：F/#小于R/#，光锥过填充，被测面图像小于满视场。

也不是。

若用F/1.5传输球测R/2.5球面，光锥足够大，可以完成全口径测量；但传输球会“过填充”被测面。在固定成像倍率下，被测面图像会比满视场小。

这不等于一定丢失测量精度。带有变焦功能的干涉仪，可以在一定范围内把图像重新放大。因此，较小F数可以覆盖较大的R/#范围，但是否合适，还要结合变焦范围、相机采样和实际测量口径判断。

凸球面还多一层限制。凸面位于传输球参考面与焦点之间，即使F/#满足覆盖条件，被测面的曲率半径、零件厚度和夹具也必须能放进这段空间。实际选型时，还要核对传输球允许的最大可测凸面曲率半径，不能只看F/#。

第一步，确认被测面是凹面还是凸面，并收集曲率半径ROC、有效口径CA、零件厚度、机械外径和夹具尺寸。

第二步，计算R/#，再筛选满足的传输球。对于单一零件，F/#与R/#越接近，几何匹配通常越合理；若要兼顾一批零件，则需要综合它们的R/#分布与系统变焦能力。

第三步，单独核对参考波前等级和机械空间。尤其是凸面，必须确认零件能放到正确的共焦位置，同时避免夹具与传输球发生干涉。

归根结底，传输球F数回答的是“这束球面光能不能完整覆盖被测面”；参考波前质量、系统校准、装调状态和环境稳定性，才共同决定“最终能测多准”。

曲率半径与有效口径共同决定R/#；要测完整口径，应满足F/#不大于R/#；F数决定几何适配范围，不直接代表精度。