2022年傅科刀口检验或阴影检验 .pdf
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1、基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 158页第二十六章傅科刀口检验或阴影检验 M.布朗检验光学零件的许多方法中没有一种方法能够满足所有的要求,每一种方法总有它的局限性。虽然傅科刀口检验是检验反射镜前表面的第一种实验室方法,但一直只局限于科研方面的使用,直到近今年业余望远镜制造者才广泛地应用它。1856 年, 傅科发表傅科刀口检验后, 刻勒克斯(ctarks ) 、 布雷歇尔(Brusktr ) 、 菲佐 (Fity )及其他在美国的科学家真真使用了刀口检验法。其他著名欧洲光学家,如法国的夫琅和费和卡乔克司( Cauchoix)及英国的塔利( Tutty )在 1856 的刀口检验法
2、发表以前就制造了大孔径消色差折射望远镜。但是他们所用的方法为了保密而失传了,人们一直认为他们是采用目镜离焦的夏普( Sharn)法,一组消球差物镜形成的圆的等直径和等强度的星点象。很少有人了解牛顿( 1668)和其他人制造的第一台反射式望远镜的经过和他们所用的不同于在夜间用反射镜形成星点象的检验方法。赫歇尔( Herschet ) (1738 1822) 巧妙地制造了一块中等焦比(F/10 F/20 )的反射镜。只要把参考球面轻度非球面化就可以获得焦比为F/10、孔径 48in 的反射镜。他卖出的望远镜大多数具有较小的孔径(6 14 in )与焦比大于F/10 的球面反射镜,而且可以满足最严格
3、的要求。牛顿使用上述方法一直到1856 年傅科发明用肉眼就可以直接观察到阴影效应的刀口检验为止。傅科法是在球面镜的曲率中心处在光轴的一侧放一个人造星点,由于反射作用在球面反射镜曲率中心光轴的另一侧形成人造星点的反射象。在曲率中心附近找到反射象以后,可以用刀口来切割成象光束,用另一只肉眼也能观察到一块不规则表面的阴影效应。在一般情况下,刀口的灵敏度为(0.1 1 )10 7in ,而且不受尺寸限制,均可以满足高灵敏度的要求。如果不用刀口检验,就不可能制造出现代的大多数大口径望远镜。显然对大型光学镜面而言,刀口检验是必不可少的,但是对小型光学元件而言,它的应用还有局限性,因为要有相当丰富的经验来判
4、读刀口检验所观察到的不均匀阴影。自从 1970年阿尼桑那( Ariyona )大学光学中心的罗密斯(Loomis)在制造大型望远镜反射镜的过程中推广使用肯特(Kent)单线检验以后(见第二十八章) ,D.亨德里克斯在帕罗山里克天文台用星点检验法对200 in 和 120in 的反射镜作了最后的修整(见附录16) 。刀口检验的一个重要特点是一般可以不考虑尺寸的大小,检验时,可以一下子观察到整个被检验表面。因此,可以迅速地检测出表面的不规则性,例如象散或非球面性等。阴影检验的另一个重要特点是物镜支承应达到稳定的状态。若夹持不正确会使大多数精密光学表面产生变形,从而难以保证表面质量。由于安装镜座时要
5、以前镜面的变形,因此自1939 年以来,将大多数反射镜与镜座配合后再安装在为检验而制造的垂直塔内进行加工。帕森 格鲁布( Person Grubb)和阿尼桑那光学中心使用了检验塔后,D.亨德里克斯在天文台内修磨里200in 的反射镜。刀口检验是光学零件的前表面而不涉及到折射,故有很大的使用价值。由于反射镜是消色差的,所以可使用白光。然而,如果系统中包含了折射元件,则需要配上适当的单色窄带滤波器,才能使准直的平行光束有价值。许多光学元件,例如球面、平面、抛物面、椭圆面以及双曲园锥面和其它光学表面可以用刀口检验,也可以用阴影效应、罗契检验与偏振效应检验均匀性、条纹、气泡和结石。已经发现刀口均匀对空
6、气动力学及风洞的研究有着广泛的用途。1. 曲面的平面反射名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 30 页 - - - - - - - - - 基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 159页刀口均匀的原理是把光线看作为杠杆臂,被均匀表面看作为系统的支点,使表面的不规则性或不均匀性得到放大。虽然希望使用尽可能长的杠杆臂,但加长杠杆臂也受到一些,例如检验光路中空气的均匀性和扰动及眼睛分辨表面起伏能力的限制。通常杠杆臂的长度主要由工件的直径决定,工件越大,杠杆臂
7、的长度也越长。杠杆臂越长,由于杠杆的放大作用其灵敏度也就越高。图 26.1 平面反射镜的反射刀口检验或阴影检验的原理是简单的,反射光线和入射光线以相同的角度位于镜面两侧的同一平面内。如图 26.1 ,图中 S为光源、 P为平面镜, I 为象、J 为入射角、 r 为反射角,光线用带箭头的线表示。根据实用的目的,一般认为光线是直线传播的,因此,sini=sinr。记住该定律(斯捏尔定律)是很重要的。反射光线以表面误差的两倍偏折,由此决定了阴影检验的灵敏度。由于光的波长极小, 也即为 2110-6in 数量级或近似于对人眼睛灵敏度最高的可见光谱中绿线的波长。 把曲面看作由很多法线交于曲率中心的211
8、0- 6in 的小平面组成, 这样平面反射光线的特性就可以应用于曲面。用曲面上的许多水平面来模拟回转面。这就是我们的兴趣所在。光线追迹不可能一比一,而是大大地放大后表示出来。当然必须学会以波长为单位来分析问题。一条直径为0.001in 的细线相当于贡绿线波长的47.6 倍。图 26.2 说明单根光线的曲面反射特性。 曲面为SP ;曲面 SP在 Y点的法线为 N;S为光源; I 为象点;j 为入象角;r 为反射角。带箭头的线表示光线。实际上,曲面的单根光线反射与平面的光线反射是相同的。图 26.2 球面镜的反射原文误为 476个波长 译者注。2.旋转球面图 26.3 中的大圆 D表示半径为 R的
9、空心球体的球面。 假设球体的内表面是理想的旋转球面,则 c/c 点 (曲率中心)为正确的球心。 如果一个小的球形光源S置于曲率中心处, 则可以在整个 3600方向上反射光线。 所有光线以法线方向入射于球面,并沿着原路返回到有原点。球面的内表为旋转球面, 所以与用阴影线表示的情况是相同的。图 26.3 光源在球心时的球面反射图 26.3 的剖面线是顶点S 的扇形侧视图。这是用刀口检验回转球面时的典型情况。由于光线使表面的倾斜误差放大(见图 26.4 ) ,所以可以观察到球面反射镜的微量表面误差。由光源 S 发出的光线入射于曲面E 上,然后射到 I ,r角等于 j 角,夹角 I1= r+j 。用箭
10、头线 E点处的斜率变化并记为 w,再画出与倾斜面垂直的法N2因为 S不变,光线 S入射到 E,由于表面的倾斜,反射象将由 I1移动到 I2。I1=J+r。当倾斜角 w=j 时,I2=2 (j+r ) 。因为 j+r 为常数,象由 I1移到 I2的移动量为 2(Sinw)R。图 26.4 倾斜误差对反射的影响名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 30 页 - - - - - - - - - 基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 160页用 I1、E作刀口
11、检验时,用SE形成 I1角表示正常情况,倾斜变化w时以 I2表示。现在用一个实例来讨论放大倍率的确定方法。设S到 E 的距离 R(300in ) ,E 点的斜率变化 W为 0.001in , 放大后 I1到 I2的移动量以表示每英寸的弧长值。英寸表示为 2WR 或 20.001300=0.6in 上述问题仅仅是为了说明原理。现在对同一问题以波长为单位来考虑其变化。设E点的倾斜变化为 1/2 个光圈或 1/4 个波长或近似于0.000005in ,则 2(WR )等于 20.000,005300=0.003in 或是 1363.6 个波长。用该实例说明如何利用杠杆的放大作用将小的倾斜变化量放大为
12、用肉眼可以观察的量。大多数测试光学零件的方法都是将微量的误差放大成眼睛可以鉴别的量。3.刀口检验的图解为了研究刀口的功能,大大夸大后画出了图26.5 。它由光源S、一对聚光镜和靠近系统光轴的一块小的镀铝平面或直角棱镜组成。远离光源的第二块聚光镜将直径为几个波长的针孔聚焦于反射镜或直角棱镜的前面,反射镜或棱镜将圆锥光束射向 e 反射镜 M 。请注意系统中的会聚光路和发散光路。应注意入射的发散光束的夹角必须大于等于或反射镜 M与曲率中心所形成的夹角。若入射光束夹角小于被检验表面M的夹角,则光束不能充满整个表面,因而只能观察到被照明的那部分面积。图 26.5 刀口检验(不成比例)图 26.5 中虚线
13、表示原点在曲率中心处的法线,法线与光源发出的光线在表面M上相交,用带箭头的实线表示入射光线与反射光线。以三个轴向位置表示刀口的位置(图26.5 ) 。首先考虑 c/c 位置,如果刀口切入反射光线(用箭头表示),表面 M将出现一片均匀的阴影,因为由M发出的光线全部集中在c/c 的小区域内。 当然, 这里假设 M是理想的回转球面,c/c 区域的直径为 0.005in 。 作局部切割时,表面出现一片青灰色。若遮拦更多的光线,则看上去呈一片黑色(见图26.6 ) 。刀口移到图 26.5 中 c/c 的外侧,分析后表明,刀口将遮拦与其相对一侧的光线, 使该区域内形成阴影,而表面的其余部分则仍然是亮的图
14、26.6 刀口检验时观察表面M (见图 26.6 b ) 。如果刀口移向 c/c 内侧(见图 26.5 ) ,阴影将出现于另一侧,如图26.6 c 所示。这样就可以决定刀口是否在表面M的曲率中心处。用刀口切割时,阴影出现在水平面上的左边,则表明刀口在曲率中心的里边;反之,阴影将出现在水平面上的右边。出现上述情况时,必须里、外移动刀口位置,直到表面阴影均匀并同时出现阴影为止,这时,刀口必定在曲率中心处(见图26.6 a )4.刀口的对准为了对准刀口,观察者必须遵守一定规则,以消除检验误差。见图26.7,图中的虚线办事3600旋转时所有平面内的视线(见B、C 、D ) 。如果用双刃刀口则只要旋转1
15、800就可以在整个直径的两个方向上进行切割。请注意图26.7a 中的 E-E,如果刀口以其中一个角度切割光线,则难找到焦点或 c/c ,而且不可能正确地判读阴影。 应该注朝向反射镜中心的切割对阴影的影响。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 30 页 - - - - - - - - - 基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 161页刀口应该调节到与E-E 正交时再来切割光线。该装置由旋转的目镜托架和优质的10目镜组成。目镜位于观察者眼睛与刀口之间。为了
16、调节目镜中的象,在c/c 位置两侧的水平面与垂直平面内调节刀刃。当狭缝针孔象正好处于目镜的中心时,则为调整良好。对正确的球面反射镜在球心点前后的象说直径是相等的(针孔为扩大的星点象,狭缝为衍射线)。一台符号使用要求的刀口调整装置由旋转底座纵向导轨、直角导轨和垂直导轨组成。除旋转底座以外都应用螺杆控制,并用图 26.7 刀口检验时的调整精密螺纹和对开螺母调整刀口。将精度为1/1000in的千分表装于纵向螺杆上,而螺旋夹持在带有叶片弹簧的对开螺母,使致能迅速改变位置。图 26,8 表示刀口检验的主要部件。 所有导轨以小动程自由地运动,同时可用螺钉固紧。刀口可以在3in 孔径的圆盘上旋转,以减少象过
17、程中的困难。在目镜的前面还连接了一只小圆盘。小圆盘用三只直径分别为0 .002 、 0.004、0.008in的针孔和一个直径的扩展光源组合成。为了用罗契光栅来观察罗契图还用一块有图 26.8 刀口检验装置1/32in宽度的狭缝的毛玻璃屏, 从焦点图到罗契图的定位方向有一定的转换关系(见附录 14) 。一般情况下用四种尺寸的针孔完全可以满足要求。对大多数工件来说, 需要强光源照明, 这可以用一只 108W普通电影灯泡来满足要求。 当必须检验诸如 F/1 焦比值的广角光学系统时,则需要更强的光源。图中目镜没有示出,它应该与透镜外壳的托架铰接, 同时可自由地绕铰链从原来位置旋出。一般使用 10冉斯
18、登目镜也就可以了,但在有些情况下,需要更高放大倍率的目镜。对确定光源安装在哪一侧及刀口在水平位置朝哪个方向运动会引起许多混淆。布朗、波特(Poter )与泰塞瑞( Texerau)安装刀口与光源的方向都不一样。布朗将光源放在刀口的右边(见图 26.8) ,刀口及连在一起的光源从左向右运动。波特将光源固定在右边,刀口从右向左运动。布朗与波特提出,刀口应该切割其对面一侧的照明以观察到表面的倾斜。泰塞瑞制订了一个规则:固定光源总是在朝向反射镜的左手一边,从右向左插入刀口。他的判读方法与布朗和波特是一样的。规则适合检验任何光学零件中的反射面。例如(1)带一块平面的自准直装置中修磨有抛物面反射镜的卡塞格
19、林系统的次镜;(2)在带有光学平面的自准直镜中装有一块镀铝的光栏来修磨带校正板的马克苏多夫系统中的主镜;(3)在曲率中心检验凹面反射镜的装置。这样的反射光学系统,光线总是来自于刀口切割的对面。泰塞瑞规则:一律规定以刀口对面一侧的光束照明斜坡(多被验物镜置于平行光路中时,规则则相反)。检验反射光学系统的三种光学装置均服从该规则。波特装置也有刀口在右边,光源固定在右边的。布朗装置可能会引起一些错觉,因为装置中有一个可以在两个方向移动的狭缝刀口,因而对于光源与刀口刀刃可能产生错误的切割方向。一般来说,人们总是希望用狭缝刀口在右边的方案。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
20、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 30 页 - - - - - - - - - 基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 162页对于透射光学系统如物镜、施密特校正板、马克苏多夫校正透镜、非球面透镜等等,当刀口横向切割时,把光线看作在刀口的后边,换言之,阴影向前投影。5.检验球面反射镜的前表面刀口检验时,必须确定针孔或狭缝光源的大小。根据最佳清晰度的要求,理论上光源的尺寸为 1104或 5104in 。然而,一般车间里用这样小的针孔是不切实际的,它仅仅是为了满足计量术的要求。一般使用 0.0040.005in的针孔
21、光源就可以满足清晰度与表面质量的要求。这样大小的光源可以发出足够的光能, 使检验单块或多块表面时不致于使眼睛过度疲劳,并且可以达到 0.110- 7in 的精度。有些操作者欢喜用狭缝光源代替圆孔光源,认为这样可以提高灵敏度并且增加了亮度。然而,这有一个缺点, 那就是用目镜检验象散时, 目镜离焦后不可能获得焦外椭圆状图样。6.衍射刀口检验时, 衍射总是存在的, 围绕工件四周可以看到一系列狭而亮的圆环。刀口检验时,衍射并非特别重要,然而初学者可能会混淆。 如果用全孔径观察反射表面, 四周会出现一系列狭而亮的闭合圆环。 最内层的圆环最亮, 越向外层圆环强度逐渐削弱,这种现象就图 26.9 刀口检验时
22、衍射效应是衍射。这是由于工件边缘小圆角或者边缘倒边使光线突然发散所致。靠近斜面顶峰处形成有第一圆环的强度及面积最大,而其它圆环的尺寸与强度均要下降。边缘光线的发散使之分离出一部分成象光束(见图26.9 中 I ) 。可用人眼虹膜作孔径光栏来识别衍射环。观察被照明面时,眼睛向四周转动,当转到某一位置时,在反射镜的亮区域的外边缘有许多暗的光环,即为衍射环(见图26.9 中 B) 。用刀口切割时,与切割方向相对的一边也可以观察到呈直线的衍射条纹。在焦点内用刀口切割时可以看到用于确定翘边或塌边的阴影条纹。如果它们的边界位于右边的圆边界上,则边缘塌边;反之位于左边的圆边界上,则边缘翘边。由此可以看到,刀
23、口检验时观察者可以不必考虑衍射环。希望了解衍射环的人们,可以参阅作详细讨论的光学教科书。7. 视差视差是傅科检验的另一固有特性。人们曾多次试尝研制一种消视差的共轴系统,但是都没有取得很大成功,因此,观察者必须认识到视差是不可避免的,然而可从找出带区误差的峰值以补偿视差的影响。有关这方面问题在分析有害的带区误差时再做讨论。视差是由于光源与影像的分离而造成的。分离使入射光束与反射光束间形成了小的角度。由于有 45/45 透、反射坚硬膜层薄片及卤素灯源的出现,可以设计出供检验低焦比和R/D小于 3 的球面反射镜 ( 这里 R为曲率半径; D为直径 )的共轴刀口仪。8. 环带误差检验球面反射镜时,要尽
24、可能单独检验各种不均匀性及局部误差,以免相互混淆。一般系统中至少存在两种以上的局部误差。在有带区误差时经常出现由各种原因引起的各种形式的象散。有关这方面问题在带区误差测试时再讨论。最常出现的带区误差是塌边。因此,首先讨论这种情况。为了简化,假设球面的其余部分是理想的球面并消除了象散。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 30 页 - - - - - - - - - 基础光学工艺第二十六章傅科刀口检验或阴影检验第 163页为说明清楚起见,需要夸大带区误差及缺陷。现
25、在可以更详细地解释为什么用刀口可以看出表面的不规则程度。最简单的一个例子是从飞机上向下看太阳斜照的山区(见图26.10) 所有受到太阳光直接照射的斜坡将产生阴影。反衬作用使山峰的凸更加明显,从而突出了斜坡的变化。虽然高度是可以计算的,但是反衬作用对高度并不很敏感。眼睛对它接收到的某一区域的光能量会产生影响。一个有最高的很宽的斜面坡,与真正球面的偏离可能小于几分之一的波长,图 26.10 斜照时用一系列山丘的阴影说明但是看到的却是一个很宽的高带区。反之,不同斜面的效应。具有最低点的一个狭的斜坡,根据光的能量其宽度可忽略不计 ( 见图 26 .11 中 L 和S)。因为在 L 区域有大量的光能,而
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