09第九章 用標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度

1、基礎(chǔ)光學(xué)工藝第 頁第 頁第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度早期泰曼討論過用泰曼格林（Twyman一Green）干涉儀來比較測量棱鏡的角度。棱鏡的角度復(fù)制是用光膠在棱鏡拋光參政面上的標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡按干涉計量的法來實現(xiàn)的。平面干涉儀是一種改進(jìn)型的菲索干涉儀，采用小功率激光器（0.3mv）或舌簧式水銀燈作光源。激光照明可以使干涉圖投影在毛玻璃上，而汞燈照明只能用肉眼觀察干涉圖。激光使棱鏡表面與光膠上的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡表面相距幾個厘米時仍能觀察到干涉圖。本文討論了制造典型棱鏡的某些基本光學(xué)工序，例如具有幾個大而不等角度的五角棱鏡；討論了用平面干涉儀干涉比較測量法

2、檢驗典型棱鏡并用標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡在五角棱鏡上復(fù)制玻璃角；對其它光學(xué)檢驗方法也作了討論。1平面干涉儀的設(shè)計平面干涉儀的典型設(shè)計之一是用一塊平凸透鏡作物鏡，透鏡的平面起光學(xué)平晶作用，用激光作照明光源時凸面為球面，用水銀燈作光源時凸面則為雙曲面。如果開始加工時用一個直徑為0.707透鏡直徑的玫瑰花瓣形拋光模，則拋光成形非球面并不困難它用刀口儀或者用每毫米5條線的羅契光柵作零位檢測并拋修實質(zhì)上，這就是制造卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的雙曲面副鏡時的諾曼（Norman）光學(xué)檢測。照明小孔的光源波長必須是平面干涉儀預(yù)定要用的光源波長。透鏡材料（對f/6.0，口徑為102mm或153mm的透鏡）用ULE石英或預(yù)先挑好的鈰維特

3、（CerVit）零膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷（見圖9.1）。另外一種設(shè)計方案是用平面干涉儀的預(yù)定光源校正了色差的F/6.0兩片物鏡組，另一塊元件是楔形平面板，它的第一面作為標(biāo)準(zhǔn)平面（十分之一光圈）；第二面形成楔角；使系統(tǒng)內(nèi)部的雜散光線反射到系統(tǒng)的外面。在兩種設(shè)計的平面干涉儀中都采用了一塊小的平面反射鏡轉(zhuǎn)折光路，以保證結(jié)構(gòu)緊湊。大視場目鏡用于找到兩個象點，兩個象點垂合時就形成了干涉圖。當(dāng)然，從光路中旋出目鏡以后可以觀察到投影的干涉圖。用激光光源照明時，在目鏡內(nèi)必須裝上密度足夠的中性濾光片。用一個附加的裝置作檢測棱鏡的傾斜工作臺。雖然不是經(jīng)常地，但有時平面干涉儀的工作臺必須從它的常規(guī)水平位置偏置。例如拋光

4、時，標(biāo)準(zhǔn)棱鏡光膠脫開了，就必須重新光膠到五棱鏡表面上，以重新建立干涉比較裝置。這似乎不太可能，但是確實可以實現(xiàn)。光學(xué)車間里平面干涉儀在許多用途，例如，檢測光楔的平行性、平面的面形質(zhì)量和泰曼第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度佩里法檢測玻璃的均勻性、棱鏡角度的復(fù)制及標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)的厚度檢查等。用這種干涉儀檢驗時零件時因為拋光表面與光學(xué)平面不接觸，不會使拋光表面擦出劃痕。加州的西柯韋納戴維森制造了直徑為412in的平面干涉儀（見圖4.5）。2標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡是用光學(xué)玻璃制造的，常用牌號為BSC2或BK7。最主要的角度有22.5、30、45、60和90，這些角度根據(jù)道威（Dove）重疊法可以

5、在光學(xué)平面上用三角棱鏡進(jìn)行干涉檢驗。最為廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡之一是有兩個45反射面和一個90面的直角棱鏡。如果按照第八章所介紹的光學(xué)加工方法，這些棱鏡易于制造。標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的側(cè)面磨成毛面，倒去全部棱邊和三面角，倒邊寬度為1mm。棱鏡的底面長度未加限制，但是易于加工的理想尺寸為lin。標(biāo)準(zhǔn)棱鏡拋光后，棱鏡的最后形狀就形成了。倒大邊并倒去三面角后，光膠與加固工作就易于實現(xiàn)。如果這些棱鏡象直角棱鏡那樣制造，則標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的所有反射面都應(yīng)具有精密的角度。三個工作面的90度側(cè)面角必須拋光到5誤差以內(nèi)?？梢杂脪伖饽Ｐ薷慕嵌炔⑶矣玫劳ㄗ鞲缮鏈y量。道威的超精測量法歸結(jié)到一點：必須用棱鏡的水平面調(diào)出安裝在光學(xué)平面上

6、的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡條紋，因而棱鏡的垂直面必須和光學(xué)平面正交。為了提高兩個拋光面（一個在被檢棱鏡上，一個在標(biāo)準(zhǔn)棱鏡上）相干條紋的對比度，標(biāo)準(zhǔn)棱鏡不應(yīng)鍍鋁。3棱鏡的制造標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡的檢測方法可以應(yīng)用于許多類型的棱鏡，例如別漢棱鏡、普羅棱鏡、道威棱鏡和施密特棱鏡?，F(xiàn)在應(yīng)用于五角棱鏡的生產(chǎn)。注意五角棱鏡的45角面是很重要的，因為光路在該面發(fā)生兩次反射。在討論中假定某些基本知識已經(jīng)知道，例如，五角棱鏡的最后形狀，所有尺寸必須加工到上公差，必須用同一參考面修磨所有角度，用精密量角器和精密90度角尺測量反射角。因為參考的拋光側(cè)面要和標(biāo)準(zhǔn)棱鏡接觸，所以應(yīng)該用蓋玻片和一張透鏡紙膠有參考面上以防擦傷。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡用作五

7、角棱鏡的參考面時，任何角度誤差均可以修磨掉。將棱鏡放在100C（212F）電爐上加熱后取下蓋玻片，冷卻至室溫，在二甲苯或丙酮中清洗，然后再在洗滌劑及水溶液中清洗。按第六章所介紹的辦法將洗凈的棱鏡放在三只用蠟?zāi)z粘的尼龍球上。將小（2.5mm）而精密的鍍鋁平行平面板濕貼到棱鏡的磨砂面上，使之具有反射性。這些內(nèi)容大部分在第六章中已討論過。光膠法在本章中并未涉及（見附錄9）。光膠的要點是要充分注意清潔，操作必須在無塵區(qū)內(nèi)完成。用丙酮和清洗的亞麻布兩次清擦棱鏡以后，還需要幾種在市場上可以買到的抗靜電液體清潔之。開始時在一個角上使用標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的45度面，并要做一次光膠。光膠時注意出現(xiàn)的條紋，將棱鏡慢慢地向中

8、心移動，直到準(zhǔn)直管中的象接近重合時再壓緊棱鏡，噴射一點丙酮使光膠更為牢固。標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的四周倒角處涂以蟲膠漆。這樣做雖然是困難的，但是做幾次以后就容易掌握了。使光膠的標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡的45度反射角面調(diào)整到與五角棱鏡的45度面平行，如圖9.2所示。利用干涉圖樣使五角棱鏡的一個面一直保持近似平行。準(zhǔn)直管中垂直線所顯示的幾分的角度分離量可在以后修磨。這里要求標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡光膠得盡可能牢固。拆光膠是容易的：首先用丙酮清洗掉蟲膠漆，再用一根桔樹劈尖棒在標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡的大倒邊處撬一下就可脫膠。注意條紋將從棱鏡上逐步消失。較牢固的光膠用一只小的本生燈（一種煤氣燈）緩緩加熱標(biāo)準(zhǔn)棱鏡而拆開光膠。當(dāng)棱鏡拆開時，可以聽到清脆的

9、“劈啪”一聲。另外，用買來的剃刀刃撬棱鏡的倒角也是拆開棱鏡的常用方法。4研磨和拋光45度角第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度研磨和拋光階段采用了標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡。圖9.3a和b所示為一臺自準(zhǔn)直按外自準(zhǔn)直法檢驗45度復(fù)合反射角。棱鏡可以交替地旋轉(zhuǎn)，它放在用蠟?zāi)z在一塊舊的鍍鋁平板上的三個尼龍球上，所以是一種精確的方法。研磨上表面之前，在五角棱鏡表面上濕貼一塊鍍鋁平板，在自準(zhǔn)直儀中觀察與比較鍍鋁平面和標(biāo)準(zhǔn)棱鏡45度角的反射象。如果兩個象有些分離，則要在自準(zhǔn)直儀中觀察到重合的象來確定修整五角棱鏡的方向。在棱鏡上使用接觸法，即用手指在待修整的45度和90度角的加壓點上壓一下，同時在自準(zhǔn)直儀目鏡中觀察

10、到的是象趨向于重合。為了保證準(zhǔn)直管中觀察到的是棱鏡參考面而不是光膠直角標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的平行側(cè)面（如果觀察到分離的象，標(biāo)準(zhǔn)棱鏡兩側(cè)面可能不平行），可以在標(biāo)準(zhǔn)棱鏡上放上一塊硬紙板擋住光線。硬紙板移去時，如果僅觀察到一個象，則標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的兩個圖9.2側(cè)面是互相平行的。在任何情況下，總是應(yīng)該用圖9.3棱鏡的參考面。細(xì)磨時經(jīng)常需要用五角棱鏡上的一個加壓點同時修磨五角棱鏡的兩個角度。按五角棱鏡要求的方向加壓，使準(zhǔn)直管串的象重合在一起。細(xì)磨時棱鏡的加壓點是兩個之間的中點。如圖9.3所示，當(dāng)用自準(zhǔn)直儀的兩種測量方法所獲得的象均已重合時，則五角棱鏡可以拋光了。注意研磨表面應(yīng)該凹12個光圈，因為兩個凸面，即一個凸面是在五

11、角棱鏡上，另一個是瀝青拋光模的凸面（用壓板成形）相互拋光是不合算的。在檢驗細(xì)磨表面面形時95號砂可以在棱鏡表面上放一小塊光學(xué)平晶（車間用），在單色光下觀察條紋。整個裝置必須保持在人眼的水平線上，用這種方法觀察到的光圈數(shù)可以放大幾倍。用同樣的研磨與檢驗法細(xì)磨五角棱鏡的45度表面的第二面。如果細(xì)磨階段已經(jīng)加工很好，則所有準(zhǔn)直測量的象均重合。角度誤差很容易通過拋光來修正，而且兩個棱鏡間的角度可用平基礎(chǔ)光學(xué)工藝第 頁第 頁第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度面干涉儀的干涉測量法復(fù)制。5平面干涉儀的使用將粗拋光的45度角的第一面放在干涉儀的傾斜工作臺上的鋪有毛氈的木制凹槽夾具中，將干涉儀下降到距棱

12、鏡表面為1cm處。在目鏡中找到兩個象，當(dāng)兩象重合時就形成干涉圖。再旋出目鏡直接觀察干涉圖。然后調(diào)整傾斜工作臺，使標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡的整個2.5mm表面上產(chǎn)生三條干涉條紋。如果在直角標(biāo)準(zhǔn)棱鏡和五角棱鏡上都觀察到等距、直的平行條紋，表示兩個表面已復(fù)制成功。然而大多數(shù)的情況是兩個被檢平面中的一個有互相平行的直條紋，而另一個平面將觀察到與標(biāo)準(zhǔn)直角棱的平行條紋傾斜的條紋。兩個平面上的條紋斜度可以有一些變化。條紋的斜度與數(shù)目表示出五角棱鏡的角度誤差是銳角（負(fù)）或鈍角（正）。如圖9.4輕輕地加壓置有棱鏡的傾斜工作臺，使光程增大以確定最低區(qū)或條紋跑出點。如果用直角標(biāo)準(zhǔn)棱鏡上的參政條紋作基準(zhǔn)，則五角棱鏡上的條紋跑出點

13、就是被檢面的最低區(qū)下流”來形容條紋。五角棱鏡的條紋跑出點到棱鏡的高區(qū)必須是180一-亠、一八圖琢）在圖9.弐中畫了一個圓，并用觀察跑出點，將低區(qū)標(biāo)上圈,180度方向或中點對面就是平面上檢查該跑出點，即與五角棱鏡成直角的平面四個象限來表示五角棱鏡的條紋跑出區(qū)。用標(biāo)準(zhǔn)棱鏡在兩兩個跑出點的中間就是五角棱鏡的最低區(qū)。五角棱鏡上白最高點（見圖9.4）。拋光時為了修正棱鏡兩個面的度誤差，在棱鏡的最高區(qū)施加壓力。用平面干涉儀可以明顯地檢驗出玻璃表面的缺陷，例如，象散、柱形差和塌邊，當(dāng)拋光棱鏡表面獲得優(yōu)于八分之一光圈并在m五角棱鏡和上出現(xiàn)時，則該常用“條紋象水，總往出。而且必須始終在兩個圖9.4修正平行平板平

14、板加高區(qū)，這里大多用干涉跑出點有謀差平行平板檢測22.5度角鍍膜面標(biāo)準(zhǔn)棱鏡卄/7、一_起的斜條紋的方面類似用已知高度的塊規(guī)來訐量未知的高度,規(guī)的差別是必飛準(zhǔn)角度棱鏡光膠有被加工棱鏡參考面上。對被加工棱的棱鏡表面上的一條條紋等于I角度誤差；測袪復(fù)制角度些標(biāo)準(zhǔn)角度稜鏡高速批量戈生產(chǎn)五角棱鏡和其它棱鏡之前必須具有一些經(jīng)驗。這里不各種變化。這個須找到標(biāo)準(zhǔn)塊的光膠面鏡誤差的粗略估計90度入射面和磨與拋光在五角棱鏡參考面上再次光膠標(biāo)準(zhǔn)棱鏡之前，五角棱鏡的一個90度面應(yīng)作初步的細(xì)磨。檢基礎(chǔ)光學(xué)工藝第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度圖9-6驗五角棱鏡入射面和出射面所形成的三個90度角，就是入射面和出射

15、面所形成的實際90度角以及入射面與出射面分別形成的兩個側(cè)面角。如果用自準(zhǔn)直法對準(zhǔn)五角棱鏡的兩個90度面中的一個面則形成22.5傾角。這個傾角可以直接從標(biāo)準(zhǔn)角規(guī)系列中得到。再將精密平行平面板（等于或小于5）放在用蠟粘結(jié)成的三個尼龍球上。下一步是將自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)22.5。標(biāo)準(zhǔn)角表面并得到較好的反射象。準(zhǔn)直管應(yīng)該嚴(yán)格固緊并使十字絲對準(zhǔn)反射象。拿下平行平板將五角棱鏡放在三個尼龍球上見圖9.5a和b,讀取五角棱鏡45度角拋光面的反射象的讀數(shù)，準(zhǔn)直管中十字絲反射象的分離就表示誤差。下一步將棱鏡轉(zhuǎn)向，檢測90度側(cè)面角，如圖9.5b所示。自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)貼于棱鏡面上的一塊小平行平板。首先用五角棱鏡拋光參考面檢測90

16、度側(cè)面角，然后用濕貼平行平板的辦法轉(zhuǎn)動五角棱鏡檢測90度面。這里必須如第4節(jié)所述的方法細(xì)磨90度復(fù)合角，所有的反射象都是以準(zhǔn)直管的十字絲作參考標(biāo)準(zhǔn)的。在預(yù)細(xì)磨完成以后再著手光膠標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡90度面，使這平行于五角棱鏡的細(xì)磨面。當(dāng)然，與光膠標(biāo)準(zhǔn)直角有關(guān)的第二個面還沒有細(xì)磨，是下一步的工作。按附錄9所示方法光膠標(biāo)準(zhǔn)三角棱鏡，有步驟如下：按照圖9.6a和b光膠標(biāo)準(zhǔn)棱鏡，重新細(xì)磨入射面和出射面。當(dāng)然這時要用到光膠在五角棱鏡參考面上的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的90度角。在準(zhǔn)直光管中觀察到的微量誤差大多是由于光膠標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡時引起的。兩個90度面包括了與高精度45度角有關(guān)的微小誤差，但是對五角棱鏡的性能不會產(chǎn)生可以覺察的

17、影響?？傊?，加工出射面時，所有存在的誤差均得到了修正。這里必須強調(diào)的是，細(xì)磨所有的角度使之用準(zhǔn)直管檢測時均已使十字絲象重合（包括三個90度角，即入射面與出射面所形成的90度和兩個90度側(cè)面角）。再重復(fù)一遍，應(yīng)該注意檢測90度側(cè)面角（控制尖塔差）使之確保準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)拋光的參考側(cè)面而不是標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的側(cè)面。許多標(biāo)準(zhǔn)棱鏡的兩個側(cè)面并不平行。這可以用一張硬紙板遮住光膠在五角棱鏡上的標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡的拋光面來檢驗之。90度的入射面和出射面的拋光與復(fù)制如第4節(jié)所述。入射面粗拋光后用平面干涉儀檢驗，并用標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡被檢平面上的三條等距、平行的直條紋來檢驗五角棱鏡的表面。如果五角棱鏡拋光面的干涉圖出現(xiàn)斜條紋，則有兩個條

18、紋跑出點。棱鏡的復(fù)制必須達(dá)到1/8個光圈和完善拋光。當(dāng)然如果棱鏡材料的均勻性好，則不需要作光學(xué)修整（見附錄8）。仿照入射面來加工五角棱鏡的最后一個出射面。按照加工五角棱鏡入射面的方法來粗拋光出射面。在這個拋光階段中，當(dāng)復(fù)制的角度在兩個棱鏡的兩個平面上僅相差12條條紋而面形質(zhì)量約為1/4個光圈時，拋光可以立即中止（當(dāng)然，所有的檢測均在平面干涉儀上進(jìn)行。為了用準(zhǔn)直儀觀察內(nèi)反射象，五角棱鏡必須在兩個表面上鍍鋁或鍍銀45度的一個面和完工的90度入射面（見附錄7）。在準(zhǔn)直儀前面檢測帶有粗拋表面的鍍膜棱鏡，這時可以觀察到尖塔角及全部角度誤差。兩根垂直線表示尖塔角誤差，兩根水平線表示角度誤差。圖7.2（18）表示了多重反射象圖形，角度的修正在第七章中已作了討論。圖9.7第九章用標(biāo)準(zhǔn)的棱鏡和平面干涉儀復(fù)制棱鏡角度如果準(zhǔn)直管檢驗中發(fā)現(xiàn)象分離很大，不能用拋光修正過來，則可能是下述情況引起的：第一，沒有嚴(yán)格完成復(fù)制工作；第二，標(biāo)準(zhǔn)棱鏡存在誤差；第三，與五角棱鏡的尺寸比較，標(biāo)準(zhǔn)棱鏡尺寸太小。解決的辦法是在兩個直角方向重新研磨和拋光，用內(nèi)自準(zhǔn)直檢測法使兩象重合（見第七章）。注意：用自準(zhǔn)直法