06第六章 自准直法测量棱镜.doc

基础光学工艺第六章 自准直法测量棱镜第二篇 棱镜和透镜的制造第六章 自准直法测量棱镜自准直仪的结构与望远镜相似，有离轴和共轴两种类型。离轴型亮度比较强，因而比共轴型使用更为广泛。离轴自准直仪将被光线照亮的棱镜 刻标尺线投影到物镜上，由平面镜将物镜出射光线反射到目镜，以供观察。这种仪器通常装有高倍目镜和十字丝。图6.1是一种折射型离轴自准直仪。明亮的光源通过一组小型聚光系统照射棱镜标尺，该标尺安装在光轴附近，一半镀铝，另一半没有镀层。共轴自准直仪如图6.2所示：照亮的标尺由一块安装成45的半透膜薄板反射到光轴上。可见共轴型自准直仪的光源要比离轴型光源强。图6.1 离轴型照明标尺的典型自准直仪的光学系统图6.2 具有半镀铝膜板的共轴自准直仪的设计方案（采用亮视场）英国希尔格一瓦兹（Hilger-Watts）公司制造的自准直测仪（如图6.3）是使用最广泛的一种自准直仪。物镜口径为1.2in，焦距为17in 。其中TA-121型仪器装有一个可读到0.5”的测微鼓轮。但因棱镜的自准直象太暗以致很难观察，因而，并不实用。TA-130型有明亮的视场，从而克服了难以观察自准直象的困难。然而，对于棱镜内角的自准直，在明视场上用黑线的自准直仪是不适用的。1、 准直仪象的放大率因为自准直仪与望远镜以同样的方法放大图象，所以有必要了解放大率及其有关的原理。这部分主要讨论放大率。放大率就是物体能过透镜所成象的尺寸的增大，它随着从物体发出的光线进入眼睛时角度的变化而变化。如果物体移近眼睛，尺寸就显得大，如果物体远离眼睛，尺寸就显得小。同一物体通过望远镜就变大了，是因为望远镜增加了从物体发出的光线到眼睛的会聚角。这时物体的视在尺寸决定于望远镜的焦距或放大率。物体距离眼睛10in时，称为单位放大率或1X。若物体在5in处，放大率为2X。可见放大率仅是视角的比什（见图6.4）。注意：物体并不随放大率而增大，只是看上去放大了，记住这一点很重要。例如一台口径为1.2in ,焦距为15in的自准直仪，如果不考虑目镜，望远镜的放大率为：M=Af/Tf 图6.3 希尔格一瓦兹自准直测角仪式中M为放大率：Af为视在视场大小：Tf为望远镜的实际视场大小。这样，一台物镜焦距为38.1 cm的自准直仪，放大率为38.1/25.4X.图6.4放大率1X时物体的明视距离，正常眼为 10in , 虚线表示2X时物体的距离为5in。图的下面分表示物镜对放大物体（虚线）所张的视角。透镜的实际分极限为4.56，称作为戴韦斯（dawes）极限。物镜的分辨率为4.56/d=s式中d。为物镜口径，单位是英寸。所以口径为1.2in的物镜，分辩率极限为4.56/1.2=3.8。具有这样参数的望远镜，理论上可以分辨到3.8秒。但由于玻璃的不均匀性及所观察棱镜表面的局部误差，对于直接比较的准直装置，分辨率接近于5秒。不过，如果考虑放大率，例如放大率为3的平面平行平板及放大率为6的反射角为90度的棱镜大约可分辨到1秒。2自准直仪的误差放大一般操作者并不经常从事棱镜制造，因而容易忘记一些重要的自准细节和自准图象的判读细节。玻璃反射角的内反射 所形成的放大率增加了。实际的困难。自准直仪检验平行平板的放大倍数为3。这可以根椐斯尔（snell）定律得到，反射放大率为2*1.5（玻璃折射率）=3。利用外部（空气角或光程）和内部（玻璃反射角）的准直装置都可能使误差放大。在此将叙述这类装置。由外自准直方法，我们可以获得2*或4*的放大倍数，2*来自单面反射，4*来自两次反射。而棱镜的内准进涉及到许多反射 面，放大倍数为3*-8*。以下讨论自准进过程及所观察到的与实际玻璃角度误差有关的角度误差。第一个例子如图6.5所示，从一块抛光过的玻璃平面进行反射。本例的反射象角度等于入射象角度。因为属于外自准进装置， 图6.5 反射示意图（角度I等于角度r）观察到的误差为实际误差的两倍。考虑第二块平行平面零件。如图6.6。自准进仪调整到以法线方向入射于表面上的视准线将按原光路反射以形成一个象。另一路光线法向入射于玻璃块投射到后表面上，并以一定角度反射，再经前表面折射 使偏差增加到实际误差的三倍。图象b和c中分离的直线表示了玻璃的角度误差，图象以经旋转而变为b。3外自准直法外自准直可以采用各种不同的方法，例如，棱镜细磨时，可用标准角规直接比较（图6.7），或用两 个 图6.6 平行平面的内自准法是将2e误差放大3倍抛光表面的外自准直方法，此时一个面在棱镜上（通常为参考面），另一面在镀铝平板上。前一种放大率为2*，后一种为4*。若棱镜表面公仅仅细磨过，则可以将镀铝平板湿贴在细磨表面上来构成反射面。直接比较方法采用希尔格一互兹厂制造的ta 2型自准直测角仪（参见图6.7或图6.3）。这种测角仪的放大率大约14*并可以藉一臂之长方便地将棱镜放置在稳定的位置上。4棱镜组合反射角的检测 本章介绍用一种自准直仪检测各类棱镜组合玻璃反射的方法。制造五角棱镜时，其角度有0.5度的零部分，似乎一台自准直仪并不够用。图6.14表示出使用带有22.5度的五角棱镜（五角棱镜中的补角）。只要把棱镜从上蜡尼龙球上取下来，将其抛光参考面对准自准直仪，便可检查90度尖塔角。自准直仪有很宽的角度调整范围-从垂直面的87度到水平面的4度，因此可以用外自准直法滑坡量90度-尖塔角。细磨修正玻璃角度误差时如何决定，在棱镜表面上施加压力的位置呢？使作自准直仪时，在棱镜顶 图6.7 棱镜玻璃角与标准角度规部加压，标出使水平象开始靠拢的方位（参见图6.8）， 直接比较的外自准直装置用铅笔标出大致角位，再按照 图6.8b放置棱镜。然后在棱镜顶部或底部附近加压，再次观察使分离的象开始趋近的方位，用铅笔划出这个区域。当然在图6.8a中可能看不到象的分离，但是图6.8b可能有误差；亦可能没有误差，而图6.8a却有误差。注意例图中，棱镜放置在与镀铝平板紧密胶合的三只尼龙球上，而平板又放在毡垫上，以保护自准自仪的抛光金属平台。棱镜的细磨面必须湿贴一小块镀稆的精密平行平面板，以构成反射面。此外，假定粗抛光的参考面有1.5波长的平面质量（最好是精密棱镜的两 个侧面互相平行，用内自准直方法控制尖塔差），将标准角规放在精密的平行平板上，预先将自准直仪调整到规定的角度。标准角规的细长基面放在用蜡胶粘的尼龙球上（注意三个尼袭球的间隔，应成使棱镜基面稳定的支承面。 图6.8控制尖塔差的两种外自准直装置（依次旋转，测量棱镜的每个角度）还有其它几种细磨棱 镜玻璃平面的方法可供选择。对于直角或60度棱镜最好用同种粒度的砂交替地研磨两个面。首先，使用图6.8b自准直法研磨直角棱 镜的弦面或60度棱镜的一个面，但许多棱镜，如五角棱镜和屋反射棱镜，要细磨一个侧面然后检查尖塔角（见图6.8a）。当细磨第二面时，将用来反射光线的平行平面板湿贴于已完成的细磨表面上，另一细磨面置于尼龙球上。这样，棱镜自准直的两 种主法都 用到了。比较有经验的操作者可以使用研磨一个参考面的方法，而初学者应学习使用图6.8ab所示的两套装置。使用的尼龙球 或球轴承必须先进行检查，并注意下要擦伤或划损细磨面。其步骤如下：（1） 用分厘查三个球的直径，使之大约相等。（2） 用蜡将小球紧紧地胶在镀铝光学平板上，蜡的高度比球直么的一半略高一些。按120度间隔蜡胶小球，给棱镜基面围成一个定的支承域。（3） 将整个装置放在毡垫上，以保护自准直仪的抛光金属面。（4） 将一块误差为5秒或更小的平得平面板放在三个垫有镜片纸的。转动平板，使两个象沿着十字丝的水平线左右分布，使误差消除，构成楔角近于零的平行平面板。此时在平板上贴一张胶带纸,作为在三个球上支承零楔角平板参考点位置的标记。（5） 移动平行平面板和纸片，比较镀膜平板的反射象。现在，相对于十字系的任何漂移均是由于小球直径的误差所引起的。其中的一个或两个小球必须用白油石研磨，也可以用经过细磨的载物片研磨（若小球是经过仔细挑选的，就可不必研磨。必须反复检查这些小球，断定小球业已与平板紧固连接，而且检查时转动棱镜不应产生不均匀磨损，棱镜需改变位置时应酬先从小球上抬高后再进行。通过实践得出如下结论；如果一、二个蜡球有0.0001in即 0.0025mm的误差时，有两个办法可用来消除尖塔角误差时，首先，标准角规总是按平行平面的零度楔角方向放置；其次只要所有反射玻璃角对原先放好的小球位置修磨，则因球的直径不等引起的漂移角总在同一方向。（6） 标准角规的放置必须使其狭长基面平行于由胶带纸标出的平行平面板的零楔度方向。5、其它检验方法有一些其它方法可用于检验玻璃角度误差的方向。一个方法是目镜向内对棱镜聚焦。当通过目镜观察时，使目镜大约移动1mm.若象靠拢了，玻璃角为小于90度；若象分开了，则为大于90度。还可用另一种简单的方法：一边在目镜中观察分离的象，一边用手指轻轻地接触棱镜，应在两 种自准直方法中都 找到触时分离的 象开始靠近的触压点。这是每个外自准法都 必须进行的，如图6-8所示，然后在棱镜上标出这一触压点或区域。如果找到两粘触压点，则其中点就是可以同时修正棱镜两 种误差的加压点，若仅有一个角度有误差。6、偏向棱镜：90度屋脊的控制带90度屋脊的偏向棱镜的入射面与出射面的夹角为45120度.这类棱镜有施密特棱镜(45度)、2号夫兰克福德棱镜（60度）、阿米西棱镜（90度）、夫兰克福德棱镜（115、120度）及五角屋脊棱镜。90度屋脊棱镜必须使入射面与出射面互成90度。所以这制造这种棱撞，控制 90度屋脊十分困难。为此这里想介绍一下，如何使用自准仪控制 90度屋脊角及屋脊棱。现以施密特棱镜为例加以说明。如果把棱镜90度屋脊面朝下放置。则它与铅垂面的矢量角为70度18分4秒，与水平面的矢量角为15度41分56秒。这就不可能用一个商品标准角规组合成一个15度41分56秒的角度，而且多数棱镜都有这样的特殊角。为克服这一困难，将一块典型偏向棱镜的一个90度屋脊面放在三个尼龙球上，如图6.9a所示。将一块镀铝的小平行平面镜湿贴到棱镜面上就能使未经粗抛光的入射面、出射面成为反射面，调 图6-9出自准仪的反射象，并将十字丝调 到水平线上，下一步是将棱镜提起（同一边），把第二个直角面转过来。此时应注意新的反射象是否在原来十字丝的上方或下方。如果90度屋脊棱垂直于两个面，象就不会在原来十字丝的上下漂移。对于有些没有十字丝的自准直仪，应修磨棱镜使之达到水平漂移的中点。在任何情况下，都必须达到零位点。同样细磨、修正90度角的第二面。在制造90度屋脊角时，用前面叙述的方法检验，即将棱镜拿起来，换方向入在三个尼龙球上，使90度角对着自准直仪。7、内自准直法外自准直法各内自准直法的区别在于前者是处理棱镜反射面间的空气角，而后者涉及玻璃内反射面。棱镜组合反射角的内自准会引起放大作用，将棱镜玻璃角除以360度再以1.5便可得到放大倍数，例如，45度玻璃角的放大率是12x。反射 角有误差，则将在自准直仪目镜视场中看到分离的象，本章将说明 自准直装置及组合棱镜的检验。先检测被棱镜的内自准直象的光强。图6-10为检验直角棱镜内90度角的传统装置。这时不涉及a面上的旋转象，只考虑两 个反射象的相对强度：玻璃对空气的反射大约为来自自准直仪的入射 光能的4.5%，因而有4.5%的光能从a面反射 回到自准直仪形成象（A）。约有95%的光能进入A面，再经透射和反射 形成象B和C。然而，因为光的反射、折射和吸收等损耗，使B、C象只有原来强度的38.13%。尽管如此，内反射象还是比外反射象明亮。 图6.10 棱镜中外反射象与内反射象的光强度每种棱镜都可用多种内自准直法。较暗淡的象是很难区别的，一种尚需给予更适当名称的简易方法为哈气法。测试时，操作者对着远离自准直仪的棱镜表面用力地哈气，然后可观察到内自准直象随着雾汽的蒸发而重现。但外自准直象与内自准直象不同，它始终固定在视场中，既不消失也不重现。应记下这一固定的外自准直象的位置，以便修正棱镜的角度（见7.2节）。8内自准直的测量方法内自准直法可用来检验合成的玻璃反射角。在此研究用内自准直法的一些典型的图示。图6.11所示用自准直仪检验90反射角的情况。注意图中的多次反射象放大6的反射角（X）和图6.11用平行光检测90角时，在直角棱镜 图6.12 典型棱镜（指直角棱镜）用内自准的自准直仪中观察到的外反射象和内反射象 直法测量，其总角度误差放大6倍尖塔角（P）。一些象随棱镜旋转。图形中有5个象表示玻璃角和尖塔角有几分的误差。倘若没有误差，两组象就完全重合在一起。图象在水平方向上的不重合，表示有反射角误差；在垂直方向上的不重合，表示有尖塔角误差或棱向误差。B象将保持静止，a和b受旋转的影响。实际上c象是由直角棱镜的直角面经4次反射南昌形成的。在棱镜制造过程中，不要使用这种复杂的内自准直法，这种方法仅仅是为了提出一份测试报告（见图6.11）。经常使用的内自准直法如图6.12所示。这种光学装置能将抛光棱镜的反射角放大6倍，若棱镜45面朝下放置也一样。如果棱镜放在毡垫上检验，则图象便不受振动的影响。9单个反射角泰曼指出：能整除360度的单个反射角，如果是理想的话只能形成一个重叠的象。如果角度有误差则会自动产生两个水平方向分开的象，尖塔误差或棱向误差不能自动准直。现在讨论图6.13a和b所示棱镜的45度单反射玻璃角。假定用（b）中的内自准直法检验斜面h的尖塔差，要求检验三个抛光面h、R和C。两个侧面是粗抛光的；所选的参考面R和斜面h间的夹角应修正为理想的90。选用的参考面R（最好的表面质量）需放在一块毡垫上，将已抛光好的面对着自准直仪。棱镜的参考面（下方）和斜面h形成一个直角，棱镜顶面作为直角的检验窗口。如果c面与参考面R不平行，并不影响直铁误差。当斜面光圈为1/8条纹以及校正直角的象重合时，斜面就合格了。下一步待校正的是45反射角，用图6.13a的方法检验，自准直仪直接瞄准45度角，A面是经抛光的，b面为平行光束的入射面。 图6.13 检验各种角度的单个玻璃反射角的内自准直法总之，至此一个合成的反射角实际上已检验完毕，但要依次进行单个角的检验。首先，检验由选定的参考面和斜面形成的90角。接着检验由斜面h和a面组成的45反射角最后，用图6.13b所示的内自准直法同样地抛光并校正b面。此外在棱镜中常用的角度是60和30。这些角度可以用内自准直法进行检验（参见图6.13c和d）。这里假定棱镜斜面已加工完成，并已用图6，12b的方法检验与侧面成所成的90度60度角自准检验容易做到，但检验30度角时由于反射光所形成的，图象过于暗淡而比较困难。故棱镜完工面（顶面）镀铝，并抛光修磨与镀铝平板相贴的表面。检验30角18倍放大率，检验60角9倍放大率。图中下面部分所表示的图象与其它反射角讨论的图象意义相同。10 其他内自准直法图6.14所示为会用到的其它内自准直法，其余的前面已列出过。用自准直仪从棱镜的一个面直接观察两个面所形成的双象有特别的意义。透过两个检查直角棱镜、五角棱镜和阿米西棱镜两面构成的90度角也是可能的。但这些方法在棱镜的制造过程中很少用。前面5幅图象表明了这些方法有其广泛的用途。习题：1） 试说明共轴型、离轴型自准直仪的区别。2） 试说明用一种准直法进行棱镜组合角的自准直测量。3） 什么是“哈气法检验”？在制造棱镜时采用哈气法能达到什么目的？4） 在加工过程中棱镜的内自准直法与外自准直法有什么不同？5） 直角棱镜、60反射棱镜和30反射棱镜的内自准直法的放大倍数是多少？6） 是否可以采用内自准直法检验22.5的反射角？7） 列出可以采用内自准直法检查的四种反射角。8） 在棱镜自准直条件下，为什么在镀铝平板上蜡胶尼龙球？9） 研磨或抛光时，用一个压力点能同时修正两个反射角吗？ 图6.14 一些用自准直法检验棱镜的典型10）检查直角棱镜的90的空 单象图形与双象图形气角时，其放大倍数为多少？参考文献De Vany,A.S. “Testing a Prisms Compound Reflecting Angles,” Appl.Opt,14,2791-2792(1975).De Vany,A.S. “Testing Glass Reflecti