[激光原理与应用-151]：光学器件 - 光学平晶：高精度平面度检测的核心工具
一、定义与原理
光学平晶是一种基于光波干涉原理的高精度测量工具，通过检测被测表面与平晶测量面之间的干涉条纹形态，实现亚微米级平面度误差测量。其核心原理为：当单色光（如钠光）垂直照射时，若被测表面与平晶平面完全平行，干涉条纹为平直明暗相间条纹；若存在平面度误差，条纹将弯曲，弯曲程度与误差值成正比（每条条纹对应λ/2的平面度偏差，钠光波长为600nm，故每条条纹代表0.3μm误差）。
二、分类与规格
- 按结构分类
- 平面平晶：用于检测量块、密封面等单个平面的平面度，直径范围45-600mm，常见规格为30-250mm。
- 平行平晶：两个测量面相互平行，用于检测千分尺等工具的平行度误差，直径范围30-150mm。
- 长平晶：有效长度可达200mm以上，用于检定研磨平尺的平面度。
- 按精度分级
- 1级精度：平面度偏差0.03-0.05μm（直径30-150mm），适用于高精度计量实验室。
- 2级精度：平面度偏差0.1μm（直径30-150mm），适用于工业现场检测。
- 按材料分类
- K9光学玻璃：适用于可见光波段检测，成本较低。
- 紫外熔融石英：适用于紫外波段检测，具有更高的热稳定性和化学稳定性。
三、技术特性
- 表面精度
- 典型表面面型精度达λ/10（633nm波长下偏差≤63.3nm），高精度产品可达λ/20。
- 平行差精度<1弧秒，确保测量结果的可靠性。
- 环境适应性
- 测量需在恒温环境（20℃±3℃）下进行，以避免温度引起的形变。
- 需严格防尘，灰尘可能导致测量面划伤，缩短使用寿命。
- 干涉条纹分析
- 白光干涉：产生彩色条纹，通过条纹颜色和弯曲程度判断平面度。
- 单色光干涉（如钠光）：产生明暗条纹，测量精度更高，适用于纳米级检测。
四、应用场景
- 精密加工与计量检测
- 检测量块、千分尺、研磨平尺等量具的平面度和平行度。
- 验证高精度平面元件（如光学平台、导轨、密封件）的几何误差。
- 科研与教学
- 作为标准平面基准，用于光学系统装配和性能评估。
- 干涉仪校准、激光技术实验中的参考平面。
- 工业检测
- 机械密封环端面平面度检测（要求<0.0009mm，即<3条钠光干涉条纹）。
- 阀门密封面、半导体晶圆等高光洁表面的质量控制。
五、选型指南
- 直径选择
- 平面平晶直径应大于被测工件外径，以确保覆盖整个测量面。
- 平行平晶需根据被测工具的测量范围选择对应规格（如0-25mm、25-50mm等）。
- 精度匹配
- 计量实验室选用1级精度平晶，工业现场可选用2级精度。
- 纳米级测量需求需通过Zygo干涉仪验证精度。
- 材料与镀膜
- 可见光检测选用K9玻璃，紫外检测选用熔融石英。
- 部分产品提供金属镀膜或宽带电介质镀膜，以增强特定波段的透反射性能。
六、操作要点
- 清洁处理：测量前需用无尘布蘸取酒精清洁平晶和被测表面，避免划伤。
- 接触调整：将平晶轻放于被测表面，缓慢调整角度使干涉条纹最少。
- 条纹分析：
- 若条纹平直且均匀，表示平面度良好。
- 若条纹弯曲，通过公式 h = (N × λ) / 2 计算平面度误差（N为条纹弯曲量，λ为光波波长）。
- 环境控制：测量过程中避免振动和温度波动，确保结果稳定性。
七、市场与品牌
- 国际品牌：爱特蒙特光学（EO）、Zygo、Thorlabs等提供高精度光学平晶及干涉测量系统。
- 国内品牌：联合光科、中健计量等提供性价比更高的产品，满足工业检测需求。
- 定制服务：支持特殊规格（如环形、方形平晶）和非标精度定制。