09第九章用标准角度棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度.pdf

基础光学工艺第九章 用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度第九章第九章用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度早期泰曼讨论过用泰曼格林（TwymanGreen）干涉仪来比较测量棱镜的角度棱镜的角度复制是用光胶在棱镜抛光参政面上的标准角度棱镜按干涉计量的法来实现的平面干涉仪是一种改进型的菲索干涉仪，采用小功率激光器（0.3mv）或舌簧式水银灯作光源激光照明可以使干涉图投影在毛玻璃上，而汞灯照明只能用肉眼观察干涉图激光使棱镜表面与光胶上的标准棱镜表面相距几个厘米时仍能观察到干涉图本文讨论了制造典型棱镜的某些基本光学工序，例如具有几个大而不等角度的五角棱镜；讨论了用平面干涉仪干涉比较测量法检验典型棱镜并用标准角度棱镜在五角棱镜上复制玻璃角；对其它光学检验方法也作了讨论1平面干涉仪的设计平面干涉仪的典型设计之一是用一块平凸透镜作物镜，透镜的平面起光学平晶作用，用激光作照明光源时凸面为球面，用水银灯作光源时凸面则为双曲面如果开始加工时用一个直径为 0.707 透镜直径的玫瑰花瓣形抛光模，则抛光成形非球面并不困难 它用刀口仪或者用每毫米条线的罗契光栅作零位检测并抛修实质上，这就是制造卡塞格林望远镜的双曲面副镜时的诺曼（Norman）光学检测。

照明小孔的光源波长必须是平面干涉仪预定要用的光源波长透镜材料（对f/6.0，口径为102mm 或 153mm 的透镜）用 ULE石英或预先挑好的铈维特（CerVit）零膨胀系数的玻璃陶瓷（见图 9.1）另外一种设计方案是用平面干涉仪的预定光源校正了色差的 F/6.0 两片物镜组，另一块元件是楔形平面板，它的第一面作为标准平面（十分之一光圈）；第二面形成楔角；使系统内部的杂散光线反射到系统的外面图 9.1在两种设计的平面干涉仪中都采用了一块小的平面反射镜转折光路，以保证结构紧凑大视场目镜用于找到两个象点，两个象点垂合时就形成了干涉图当然，从光路中旋出目镜以后可以观察到投影的干涉图用激光光源照明时，在目镜内必须装上密度足够的中性滤光片用一个附加的装置作检测棱镜的倾斜工作台虽然不是经常地，但有时平面干涉仪的工作台必须从它的常规水平位置偏置例如抛光时，标准棱镜光胶脱开了，就必须重新光胶到五棱镜表面上，以重新建立干涉比较装置这似乎不太可能，但是确实可以实现光学车间里平面干涉仪在许多用途，例如，检测光楔的平行性、平面的面形质量和泰曼第55页基础光学工艺第九章 用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度佩里法检测玻璃的均匀性、棱镜角度的复制及标准块规的厚度检查等。

用这种干涉仪检验时零件时因为抛光表面与光学平面不接触，不会使抛光表面擦出划痕加州的西柯韦纳戴维森制造了直径为 412in 的平面干涉仪（见图 4.5）2标准角度棱镜标准角度棱镜是用光学玻璃制造的，常用牌号为 BSC2 或 BK7最主要的角度有 22.5、30、45、60和 90，这些角度根据道威（Dove）重叠法可以在光学平面上用三角棱镜进行干涉检验最为广泛使用的标准角度棱镜之一是有两个45反射面和一个90面的直角棱镜如果按照第八章所介绍的光学加工方法，这些棱镜易于制造标准棱镜的侧面磨成毛面，倒去全部棱边和三面角，倒边宽度为 1mm棱镜的底面长度未加限制，但是易于加工的理想尺寸为1in标准棱镜抛光后，棱镜的最后形状就形成了倒大边并倒去三面角后，光胶与加固工作就易于实现如果这些棱镜象直角棱镜那样制造，则标准棱镜的所有反射面都应具有精密的角度三个工作面的 90 度侧面角必须抛光到 5误差以内可以用抛光模修改角度并且用道威法作干涉测量道威的超精测量法归结到一点：必须用棱镜的水平面调出安装在光学平面上的标准棱镜条纹，因而棱镜的垂直面必须和光学平面正交为了提高两个抛光面（一个在被检棱镜上，一个在标准棱镜上）相干条纹的对比度，标准棱镜不应镀铝。

3棱镜的制造标准直角棱镜的检测方法可以应用于许多类型的棱镜，例如别汉棱镜、普罗棱镜、道威棱镜和施密特棱镜现在应用于五角棱镜的生产注意五角棱镜的 45角面是很重要的，因为光路在该面发生两次反射在讨论中假定某些基本知识已经知道，例如，五角棱镜的最后形状，所有尺寸必须加工到上公差，必须用同一参考面修磨所有角度，用精密量角器和精密90 度角尺测量反射角因为参考的抛光侧面要和标准棱镜接触，所以应该用盖玻片和一张透镜纸胶有参考面上以防擦伤当标准直角棱镜用作五角棱镜的参考面时，任何角度误差均可以修磨掉将棱镜放在 100（212F）电炉上加热后取下盖玻片，冷却至室温，在二甲苯或丙酮中清洗，然后再在洗滌剂及水溶液中清洗按第六章所介绍的办法将洗净的棱镜放在三只用蜡胶粘的尼龙球上将小（2.5mm）而精密的镀铝平行平面板湿贴到棱镜的磨砂面上，使之具有反射性这些内容大部分在第六章中已讨论过光胶法在本章中并未涉及（见附录 9）光胶的要点是要充分注意清洁，操作必须在无尘区内完成用丙酮和清洗的亚麻布两次清擦棱镜以后，还需要几种在市场上可以买到的抗静电液体清洁之开始时在一个角上使用标准棱镜的 45 度面，并要做一次光胶。

光胶时注意出现的条纹，将棱镜慢慢地向中心移动，直到准直管中的象接近重合时再压紧棱镜，喷射一点丙酮使光胶更为牢固标准棱镜的四周倒角处涂以虫胶漆这样做虽然是困难的，但是做几次以后就容易掌握了使光胶的标准直角棱镜的 45 度反射角面调整到与五角棱镜的 45 度面平行，如图 9.2 所示利用干涉图样使五角棱镜的一个面一直保持近似平行准直管中垂直线所显示的几分的角度分离量可在以后修磨这里要求标准直角棱镜光胶得尽可能牢固拆光胶是容易的：首先用丙酮清洗掉虫胶漆，再用一根桔树劈尖棒在标准直角棱镜的大倒边处撬一下就可脱胶注意条纹将从棱镜上逐步消失较牢固的光胶用一只小的本生灯（一种煤气灯）缓缓加热标准棱镜而拆开光胶当棱镜拆开时，可以听到清脆的“劈啪”一声另外，用买来的剃刀刃撬棱镜的倒角也是拆开棱镜的常用方法4研磨和抛光 45 度角第56页基础光学工艺第九章 用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度研磨和抛光阶段采用了标准直角棱镜图 9.3a 和 b 所示为一台自准直按外自准直法检验 45 度复合反射角棱镜可以交替地旋转，它放在用蜡胶在一块旧的镀铝平板上的三个尼龙球上，所以是一种精确的方法研磨上表面之前，在五角棱镜表面上湿贴一块镀铝平板，在自准直仪中观察与比较镀铝平面和标准棱镜45度角的反射象。

如果两个象有些分离，则要在自准直仪中观察到重合的象来确定修整五角棱镜的方向在棱镜上使用接触法，即用手指在待修整的 45 度和 90 度角的加压点上压一下，同时在自准直仪目镜中观察到的是象趋向于重合为了保证准直管中观察到的是棱镜参考面而不是光胶直角标准棱镜的平行侧面（如果观察到分离的象，标准棱镜两侧面可能不平行），可以在标准棱镜上放上一块硬纸板挡住光线硬纸板移去时，如果仅观察到一个象，则标准棱镜的两个图 9.2侧面是互相平行的在任何情况下，总是应该用图 9.3棱镜的参考面细磨时经常需要用五角棱镜上的一个加压点同时修磨五角棱镜的两个角度按五角棱镜要求的方向加压，使准直管串的象重合在一起细磨时棱镜的加压点是两个之间的中点如图 9.3 所示，当用自准直仪的两种测量方法所获得的象均已重合时，则五角棱镜可以抛光了注意研磨表面应该凹12 个光圈，因为两个凸面，即一个凸面是在五角棱镜上，另一个是沥青抛光模的凸面（用压板成形）相互抛光是不合算的在检验细磨表面面形时 95 号砂可以在棱镜表面上放一小块光学平晶（车间用），在单色光下观察条纹整个装置必须保持在人眼的水平线上，用这种方法观察到的光圈数可以放大几倍。

用同样的研磨与检验法细磨五角棱镜的 45 度表面的第二面如果细磨阶段已经加工很好，则所有准直测量的象均重合角度误差很容易通过抛光来修正，而且两个棱镜间的角度可用平第57页基础光学工艺第九章 用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度面干涉仪的干涉测量法复制5平面干涉仪的使用将粗抛光的 45 度角的第一面放在干涉仪的倾斜工作台上的铺有毛毡的木制凹槽夹具中，将干涉仪下降到距棱镜表面为 1cm 处在目镜中找到两个象，当两象重合时就形成干涉图再旋出目镜直接观察干涉图然后调整倾斜工作台，使标准直角棱镜的整个 2.5mm 表面上产生三条干涉条纹如果在直角标准棱镜和五角棱镜上都观察到等距、直的平行条纹，表示两个表面已复制成功然而大多数的情况是两个被检平面中的一个有互相平行的直条纹，而另一个平面将观察到与标准直角棱的平行条纹倾斜的条纹两个平面上的条纹斜度可以有一些变化条纹的斜度与数目表示出五角棱镜的角度误差是锐角（负）或钝角（正）如图 9.4 轻轻地加压置有棱镜的倾斜工作台，使光程增大以确定最低区或条纹跑出点如果用直角标准棱镜上的参政条纹作基准，则五角棱镜上的条纹跑出点就是被检面的最低区工人们经常用“条纹象水，总往出下流”来形容条纹。

五角棱镜的条纹跑出点到棱镜的高区必须是 180 度而且必须始终在两个平面上检查该跑出点，即与五角棱镜成直角的平面（见图 9.4）在图 9.4 中画了一个圆，并用四个象限来表示五角棱镜的条纹跑出区用标准棱镜在两个平面中观察跑出点，将低区标上圈，两个跑出点的中间就是五角棱镜的最低区五角棱镜上的最低点的 180 度方向或中点对面就是最高点（见图 9.4）抛光时为了修正棱镜两个面的角图 9.4度误差，在棱镜的最高区施加压力用平面干涉仪可以明显地检验出玻璃表面的缺陷，例如，象散、柱形差和塌边，当抛光棱镜表面获得优于八分之一光圈并在五角棱镜和标准直角棱镜上出现等距、平行的直条纹时，则该表面加工完毕用同样的方法抛光第二面及修正角度，抛光时用加压法来确定五角棱镜的最高区，这里大多用干涉检测法复制角度在实现用一些标准角度棱镜高速批量生产五角棱镜和其它棱镜之前必须具有一些经验这里不可能阐述角度误差所引起的斜条纹的各种变化这个方法在许多方面类似用已知高度的块规来计量未知的高度，与块规的差别是必须找到标准块的光胶面，在这种情况下标准角度棱镜光胶有被加工棱镜参考面上对被加工棱镜误差的粗略估计是在 50mm 大小的棱镜表面上的一条条纹等于 1角度误差。

690 度入射面和出射面的研磨与抛光在五角棱镜参考面上再次光胶标准棱镜之前，五角棱镜的一个 90 度面应作初步的细磨检图 9-5第58页基础光学工艺第九章 用标准的棱镜和平面干涉仪复制棱镜角度图 9-6验五角棱镜入射面和出射面所形成的三个 90 度角，就是入射面和出射面所形成的实际 90 度角以及入射面与出射面分别形成的两个侧面角如果用自准直法对准五角棱镜的两个 90 度面中的一个面则形成 22.5倾角这个倾角可以直接从标准角规系列中得到再将精密平行平面板（等于或小于 5）放在用蜡粘结成的三个尼龙球上下一步是将自准直仪对准 22.5标准角表面并得到较好的反射象准直管应该严格固紧并使十字丝对准反射象拿下平行平板将五角棱镜放在三个尼龙球上见图 9.5a 和 b，读取五角棱镜 45 度角抛光面的反射象的读数，准直管中十字丝反射象的分离就表示误差下一步将棱镜转向，检测 90 度侧面角，如图 9.5b 所示自准直仪对准贴于棱镜面上的一块小平行平板首先用五角棱镜抛光参考面检测90 度侧面角，然后用湿贴平行平板的办法转动五角棱镜检测 90 度面这里必须如第 4 节所述的方法细磨 90 度复合角，所有的反射象都是以准直管的十字丝作参考标准的。

在预细磨完成以后再着手光胶标准直角棱镜 90 度面，使这平行于五角棱镜的细磨面当然，与光胶标准直角有关的第二个面还没有细磨，是下一步的工作按附录9 所示方法光胶标准三角棱镜，有步骤如下：按照图9.6a 和b 光胶标准棱镜，重新细磨入射面和出射面当然这时要用到光胶在五角棱镜参考面上的标准棱镜的 90 度角在准直光管中观察到的微量误差大多是由于光胶标准直角棱镜时引起的两个 90度面包括了与高精。