08第八章 直角棱鏡和道威棱鏡

_第八章 直角棱鏡和道威棱鏡本章假設制成的棱鏡具有下列要求：1) 粗拋光玻璃盤表面，面形優(yōu)于兩個光圈，楔度大于等于10”。用穆翟法檢驗玻璃的均勻性；2) 加工結束后棱鏡尺寸具有上限工差。3) 檢驗棱鏡90側面角時，所有反射面采用同一參考面。1 斜面為了便于加工，研磨和拋光少量棱鏡（10只或更少）時，實際的制作方法通常是把棱鏡膠于用同樣玻璃牌號制作的導塊上。附錄3中對這種方法作了更加全面的敘述。簡單地說是把小而薄的矩形下班塊膠在棱鏡的側面上，如圖8.1a所示。應該同時做3只或4只這樣的棱鏡組合體。制作棱鏡組合體時，將棱鏡與玻璃導塊在烘箱內加熱到85度，棱 鏡面上稍為涂些瀝青膠，并在棱鏡與下班導塊間墊上透鏡紙。為了限制泰曼效應，所有已拋光過的玻璃表面鄰表面時，擦傷已拋光的表面。將已檢驗過的粗拋光平行平板鋸成具有粗拋光表面的棱鏡，選擇表面質量最侍的棱鏡側面作為參考面，普且用金剛石劃刀在該面上作一記號。在整個棱鏡制造過程中都采用同一個參考側面。棱鏡與玻璃導塊放在預熱到85的石棉板上，逐個取出棱鏡，中間隔一張小的透鏡紙，將兩個玻璃導塊與棱鏡相互膠合在一起。然后把棱鏡組合體放在鋪有一張紙的平模上，仔細地檢查組合體的全部倒角面。透鏡紙應比兩個表面稍高些，否則表示組件調整不當。用導塊與棱鏡的底部緊緊地把整個組合體壓在一起，用一木塊調整棱鏡四周的玻璃導塊并安放到恰當?shù)奈恢?。在斜面加工以前，用這種方法組合四個棱鏡是比較有效的。組合體冷卻后，用二甲苯清洗，清除倒角面與玻璃導塊表面四周的瀝青膠和透鏡紙。細磨（用225號，145號，95號三種 圖8.1（a） 細磨直角棱鏡斜面時，采用外剛玉磨料）時用如圖8.1(a)和(b)所示的 自準直測量裝置。用標準450塊規(guī)外自準直裝置檢查棱鏡。棱鏡和玻璃導塊 調整好自準儀位置，而塊規(guī)放在置放在三個尼龍球上，而尼龍球緊緊地用蠟 于三只尼龍球上的精密的平行平面膠在鋁制的平臺上。由平行光管出射的平 板上。將一小塊的鍍鋁的平行平板行光束射到棱鏡的拋光表面上，然后經(jīng)平 濕貼到研磨面上使之能反射光線板的鍍鋁面反射 ，最后返回到平行光管。如果450反射面，棱鏡形成的900空氣角或平面板存在著誤差，則在平行光管內就觀察到兩個分離的水平象。如何決定棱鏡誤差的方向呢？用自準目鏡觀察時，把手指壓向棱鏡某處，使水平方向分離的象趨于重合，此處就是細磨斜面時的加壓點。特別當用95號金剛砂細磨時，應盡力使兩象重合。自準直測量 有4×的放大率，因此研磨時，象的變化很快。細磨棱鏡后用小型放大鏡檢查玻璃導塊四周的砂眼及劃痕。如果細磨時已將倒角磨去，則可以用一塊銅片和145號金剛砂重新磨出倒角。在開槽的平面瀝青拋光模上拋光棱鏡組件（見第三章），加一些拋光粉拋光棱鏡后，用自準直方法檢驗900側面角（控制塔差）。圖8.2說明棱鏡900角 測量方法。注意參考面應放在毛氈上，毛氈下面的小木塊使棱鏡保持水平。將自準直儀調整到近似于450，然后牢牢地固 圖8.1(b) 用外自準直裝置測量與棱鏡斜面面900的緊三個拋光表面使自準直儀的平行光束 側面角（控制尖塔差）。鍍鋁平板與一般已拋光過返回到觀的察者。這種內準直測量將 棱鏡參考側面構成900空氣角。如果參考側面沒有拋900角的誤差放大了6×。 光過，則可以在900側面角上濕貼一小塊平行平板一個熟練的操作者應該會用下面的辦法測量角度誤差（見圖(8.2)，水平線的分離表示角度誤差，垂直線的雙象則是由于棱鏡頂面質量不佳引起的，因為棱鏡頂面入射與出射了自準直儀的平行光束。在檢驗900角誤差以前棱鏡弦面的表面質量應該達到一個光圈以內。如果900角存在誤差，根據(jù)水平的分離量可以確定是銳角還是鈍角，那么如何確定呢？規(guī)則1：使目鏡由最佳焦面位置向里離焦。如果十字絲的兩個水平 象彼此靠近，則為銳角。規(guī)則2：使目鏡由最佳焦面位置向里離焦，如果兩個水平線彼此分離，則為鈍角。用這種方法檢驗分離很大的象是困 圖8.2 棱鏡的拋光參考面置于毛氈上，對其900難的。對分離大的象可以用一支鋼皮尺 側面角進行內自準直測量（控制尖塔差）作為刀口遮欄目鏡的下半部，如果兩個分離象的上面一個象消失，則為鈍角，反之，分離象的下面一個象消失，則為銳角。要修磨是銳角的900角，拋光斜面時，在靠近棱鏡參考面（作記號）一側施加壓力，反之，修磨鈍角時，在棱鏡參考面的相對一側加壓。由于瀝青拋光盤總是用凹壓板制成凸面形，這樣，棱鏡表面的質量也將逐步提高。表面拋光結束后，斜面也已加工完畢，而且在自準直儀內可以觀察到重合的角。表面質量達到無象散、無砂眼、無劃痕或道子，并且優(yōu)于1/8光圈。2、 450反射面將棱鏡放在可控制的電爐內加熱到850C，從已拋光好的斜面上取下玻璃導塊，把新的具有大倒角的玻璃導塊膠合在兩個450面的四周（類似城附錄了所介紹的方法）。帶有玻璃導塊的棱鏡組件如圖8.3所示。注意玻璃導塊長度應超出面，志塊底面與棱鏡的最高點平接在一起。將450 標準角塊放大置于三只尼龍壞上的平行平板上，然后檢查自準直儀450角的工作位置。需要時，可以再調整自準直儀，檢查十字線，并把它調到零位，然后固緊自準直儀。加工過程中，輪換地研磨兩個450表面。此時，必須再檢查棱鏡的組合角。組合角包括由斜面與棱鏡的一個面構成的450角和900（尖塔角）側面角（見圖8.3a和b）。研磨兩個450面的任一個表面時，利用已拋光的斜面及在三個尼龍壞上的頂先研磨過的450面。提起棱鏡，并把棱鏡穩(wěn)定地放在三個尼龍壞 圖8.3 (a) 首先細磨450面，然后檢查900空氣角，上，交替地測量兩個450角。細磨時， 再旋轉棱鏡，將450面對準自準直儀，交替必須同時修正兩悠遠450角。 地研磨450組合角如前所述，玻璃角的方位有八種 (b) 由預先安裝好的450比較標準角規(guī)對450 可能情況（參看第七章7.4節(jié)）。如果 角進行準直測量認識到在棱鏡上總存在著一個加壓點，則修磨棱鏡角度的技術就很易光會。一種尋找加壓點的方法（研磨時）是輕輕地接觸棱鏡某一處使分離的水平象彼此靠近，該處即為加壓點。兩個角度的自準測量每輪換一次必須按上述方法再做一遍。初學者最好用毛氈筆或蠟筆記下這個點的位置，以便用外準直法測量900側面角時，采用這個記號的側面。同時修磨兩只角度誤差的壓力點處于棱鏡上作有記號的兩點中間。細磨時玻璃角度的校正可能磨過頭，特別是采用225號金剛砂時，必須特別注意記下觀察到的角度誤差的變化或作上無誤差的記號。當用95號金剛砂研磨完兩修正450面，以及修正450角和900側面角后，再拋光各表面。檢查以前，應確保每個表面有優(yōu)于兩個光圈的質量。將棱鏡放在毛氈墊上，檢查45°反射角。這就是45°角內自準直測量法。注意，這只適用于玻璃的角度測量（見圖8.4）。自準直儀目鏡視場中的水平象表示內角誤差。如果象重合，則45°角是正確的。如果有誤差，水平象的分離可以表示出正、負角度誤差。角度誤差的放大率是12×。用規(guī)則和可以決定角度是大還是小。這也適用于用90°內自法檢驗斜面的90°側面角。棱鏡的參考面朝下放在毛氈墊上，也可用自準法測量90°側面角（見圖8.2）3、 反射式的工具棱鏡或轉向棱鏡 由于用途不同，這各棱鏡的制造方法略有差別。工具棱鏡的鍍反射角有時必須達優(yōu)于2的誤差，而用于觀察儀器中的轉向棱鏡如果角度總偏差優(yōu)于，就屬精密棱鏡類。 下面敘述角度誤差優(yōu)于2的反射式工具棱鏡重新檢驗45o角，在一個側面作記號A，另一側面作記號B。如果兩個45o表面沒有什么可以 圖8.4 45°反射角 內自準直測量選擇，則應用有較好900角的一面。在拋光時修磨450角，其變化速度為900側面角變化速度的兩倍。這是由于450我的放大率為12×，而900角的放大率為6×之故。兩個角度修磨的速度不一樣，是由于放大率不同以及在拋光過程中很難保證棱鏡角面上的壓力均勻造成的。用自準直法（見圖8.4）檢驗時，必須使所選擇的450面（a或b）加工到不存在可以觀察到的角度誤差，并且也要檢驗其900側面角（見圖8.2），然后拋光成消象散的面。象散難以除去常常是由于棱鏡角頂處的凸包之故（操作者稱為谷粒），必須用大姆指或中指局部拋修這些缺陷，但必須仔細操作，否則在表面上可能形成一個凹坑。由于手離開棱鏡后棱鏡上有潛熱存在，因而要留有充分的時間使熱量散失。反復手拋以后，再將加工面放到拋光模上拋修，直到組合450反射角觀察不到誤差并達到1/8波長的表面質量，此時該表面就完工了。當然，表面應無砂眼、劃痕和道子。將棱鏡放入一臺新的內自準直裝置中，用與上述不同的方法制作第二個450反射面（見圖8.5）。首先可看到尖塔差和總的角度誤差，這一尖塔差（現(xiàn)在是由于第二個450面產(chǎn)生的），是則兩根垂直線間距的大小來度量的兩根水平線的分離間隔即為正在拋 圖8.5 顯示直角棱鏡所的角度誤差光的450表面角度誤差。注意圖8.5中的雙十字象。 的最后自準直測量法誤差可能存在于任何的一個象限內（虛線為尖塔差方向），為八種可能情況之一（參看第7.4節(jié)）。找到誤差位置的最好方法之一是先找到由棱鏡反射回來的逆反射象。在遠離自準直儀的450面上用力哈氣（濕度凝聚作用），則逆反射象消失。當哈氣從表面上消失后，自準直儀的目鏡中再顯示出反向的逆反射象?？偪梢哉业揭粋€從最靠近自準直儀的前粗拋光表面反射的象，并找出尖塔方向，用軟筆作出記號。這便是修磨棱鏡角度誤差所采用的壓力點之一。再需強調指出：象的水平分離表示沒有加工好的450表面的角度誤差。棱鏡45O面的拋光情況與第一個45O面的拋光情況極為相似。圖8.5中分別用P和X表示尖塔差和45O角誤差。首先用規(guī)則1和2 確定 X是正值或負值（尖塔問的正負早已克定）。例如，假設45O 反射角有負值誤差（角?。?，而900尖塔差的參考面是加工時始終采用的棱鏡參考面。為 時修磨這兩種誤差，壓力點應置于“頂尖”（頂尖指45O角的頂端，跟部在900角的頂端），在45O面頂端相對 的棱鏡參考面上施加壓力，則可以修整棱鏡的角度誤差。這個例子僅為可能產(chǎn)生的八種誤差中的一種。當所有準直象重合為一個，而且表面質量優(yōu)于1/8光圈時，則全反射棱鏡制作完畢。4、兩次反射棱鏡 兩次反射棱鏡的一種制造方法 是用精密夾具。加工棱鏡時用精密夾具按前面所述玻璃角把膠合的棱鏡裝夾起來。另一種方法是研磨和拋光時用石膏上盤。石膏盤可能裝夾許多棱鏡，其直徑可以大到37cm。用于較便宜的雙目儀器中的直角棱鏡用這種方法制造，準直光管用于各種組合過程中。這種棱鏡具有相當大的玻璃角度偏差，高達10。在用這種方法大量生產(chǎn)棱鏡時，可能和夾具裝夾或石膏上盤這兩種方法來制造兩個側面。用熟石膏盤制造棱鏡的斜面和45O面。第三個面用細磨和粗拋光交替進行的辦法，一直到在自準直儀中觀察到的象重合為止（用圖8.5所示方法，也可以參看第二章圖2.22）。切實可行的方法是采用玻璃導塊。因為大多數(shù)的角度誤差使自準直目鏡視場中的象分離很大。檢查以前，棱鏡與玻璃導塊組件用95號金剛砂初步研磨并粗拋光5min。兩條垂直線之間距為尖塔差（P）的方向，塔差傾角可能出現(xiàn)在任一象限。兩條水平線（X）這間距是所有角度誤差的總和。兩組象偏離大時，必須首先確定由45O面反射的象，可用哈氣法檢驗確定 之。用如圖8.5所示的自準直裝置，第一個象是由正在加工的面形成的，第二個象由內自準直形成。當斜面上的霧氣消失后，自準直象將由消失到再現(xiàn)。在棱鏡側面上作出第二組垂直線偏差方向的記號，此時，象的水平分離忽略不計。對偏離大的象，要用鋼皮尺來觀察水平分離象。以確定角度誤差的正負。現(xiàn)在已掌握了研磨棱鏡時正確確定壓力點的方法。例如（八種可能情況之一）在參考面上標記尖塔差的垂線偏 差方向以及玻璃角是鈍角或是誤差為正（參見規(guī)則1和2或用鋼皮尺的方向）。壓力點在哪兒呢？它位于棱鏡45O面的參考面跟部。研磨與拋光必須反復進行，直到學會該項技術為止，沒有一個人可以企圖用拋光的方法來修正自準直儀中觀察到的雙象（也即分離量是3倍或更多倍線寬），而應該重新修磨，使象近乎重合。采用玻璃導塊是為了防止玻璃角度產(chǎn)生嚴重的過修正和修正不足。企圖不用玻璃導塊而徒手操作只能是當月費時間。偶爾由于存在大的角度誤差而使兩個外貌過大地分離，僅有一個象出現(xiàn)在自準直目鏡中。在這種情況下棱鏡可能被以為是極好的。為了避免發(fā)一這種情況，可用眼睛檢查。即眼睛直接向斜面 中看，觀察眼瞳的圓度，如果眼瞳某個方向有些縮小或放大，則說明棱鏡存在著較大的角度誤差。5、道威棱鏡 只要在直角棱鏡頂部銑出和細磨一個大的平面 就可以變?yōu)?5O道威棱鏡。當然，在棱鏡粉磨成形時就要這樣做。在制造過程中基本上應用了玻璃導塊。道威棱鏡玻璃反射角的自準直檢驗法與直角棱鏡的檢驗法相同（見表8.1）。6、棱鏡的光學修磨即使偏差小于2，表面平面性達到1/10光圈，精密棱鏡的加工并沒朋到此結束大多數(shù)棱鏡還需要在干涉儀中作光程差（）檢驗由于玻璃不均勻性使在棱鏡中產(chǎn)生光程差，為此必須檢驗玻璃的均勻性因為光學玻璃特別是大塊玻璃是昴貴的，所以操作者必須處理由于玻璃不均勻性所引起的光程差。表8.1 采用不同牌號玻璃時，哈天道威棱鏡的結構常數(shù)N1.51701.57251.61701.7200B1.48491.48491.48491.4849L1.64984.43034.28224.0072H14.54984.33034.18223.9072D2.44982.23032.18221.9072d3.716653.50713.36373.1084D/n2.44992.23032.08011.8071 圖8.6-為使反射鏡M1和M2穩(wěn)定，采用帶有第三 射鏡M3的亨德里克斯干涉儀，檢驗時可以使 棱反棱鏡安放更為容易。注意，儀器對準時， 可以采用低功率激光器光學拋修是局部修正棱鏡表面使光程差優(yōu)于1/4條紋的一項技術。鏡放在干涉儀中作定量測量時是透射條紋程長的兩倍。假設透射條鄉(xiāng)長分為兩 部分，并且假定局部待修的表面為入射面。棱鏡的第二面為出面。為防止表面混淆，可用膠帶紙作上記號。放在進一步儀中的有些棱鏡有縮小作用，使干涉呼的定位發(fā)生困難。拋修棱鏡時，最快最好的復位辦法是在靠近棱鏡處再用第三塊反射 平面（M3），從而使干涉儀穩(wěn)定而且可以復查常規(guī)裝置中的垂直條紋。另一種方法是用低功率激光器（0.3mw），光線直接通過光束分束器，棱鏡和第三塊平板，然后重疊每一個激光光斑。必須 圖8.7許多典型的雙光程OPD條紋顯示了均勻性誤差的方向注意這時采用耐磨的保護玻璃，儀器調好后（見圖8.6）關掉激光器。修整，局部修整和修磨為同義詞。引起光程差的條紋圖樣通常為象散型的，如圖8.7ab 所示，但是拋光表面的象散特征對光程差影響不很大。重要的只是在于修整棱鏡的入射面，決不能妄想要入射面與出射面間補償拋修。這是因為在棱鏡（例如五棱鏡）的光程長，有時有兩組或多組OPD條紋，用自準直法再檢驗偏差時（見第九章）必須考慮出射面及拋修所引起的變化。粗略地計算表明，棱鏡表面四個光圈的變化引起一個光圈的OPD（4：1）。這就是為什么初學者對拋修大為吃驚的原因。讓我們分析一下典型棱鏡的OPD條紋圖形。如圖8.7ab所示，因為條紋圖樣存在象散，故必須在兩個平面內檢驗。調整干涉儀中M3夾具的螺旋（見圖8.6），找出最差的平面，并決定它是凹或凸（高或低），然后稍微向后移動M3使棱鏡與平面間的光程增加。如果條紋向棱鏡邊緣走動，則為凸表面。反之，如果條紋向視場中心移動，則為凹表面（見圖8.8，它與約翰遜（Johnson）所述）Johnson B.K.,Optics and Optics Instrament ,Dover,New Uork,1960,PP.200202.用摻有50%木屑的中等硬度瀝青膠做幾種大小不同的拋光模，有些著名的光學專家，如H.霍爾（Hall）及D.亨德里克斯采用直徑為棱鏡最大表面 直徑兩倍的拋光模。其上開有0.5in的方格形槽并加制了0.02in的小方格壓花。用凹或凸的壓制瀝青拋光模，表面質量為26個光圈。凸面形的拋光模修整高帶，而凹面形拋光模則可以消去低帶。在任何情況下總是除去一些玻璃層，只有計算機才可能把玻璃加到光學表面上去！ 圖8.8 光學表面為高圈或低圈時條紋的移動情況研究圖8.7（b）,第一塊平面為凸半個光圈，第二興表面大概為半個光圈。用有兩個光圈的凸拋光模拋光凸光圈的平面。拋光過程中或結束后決不允許用手旋轉棱鏡。拋光時一組新的動程總是在拋光模的新帶區(qū)開始（繞過拋光模移動），用一塊光學平面檢驗表面質量，確定加工過程是否處于正確的方向，找出象散表面（在光學拋修時，一種象散表面轉移成另一種象散表面）。如果表面為3或4個光圈，再放到干涉儀上檢驗，為了使?jié)摕嵯ⅲ瑧却?10min。待中心區(qū)域變得更加平坦，而第二平面多半保持不變，但是，條紋方向旋轉了一個900方位。在最后拋修期間，飛鳥狀條紋圖樣表現(xiàn)為翼尖翹起或塌下。常常發(fā)現(xiàn)操作者用大姆指或中指拋修條紋花樣的凸包或谷粒，這樣可能易于修過頭，而且必須考慮棱鏡從手指吸收的潛熱。局部修正的另外一種方法是采用較小的拋光模（見圖8.9）拋光模直徑一般比棱鏡表面小。同時將拋光 模放在壓板上成型并添加干的拋光劑支防止拋光盤與壓板粘住，并及時將它們固緊。取下時皮條或塑料榔頭將其卸。棱鏡表面上凹帶（低）之所以被修正過來，是因為把翹起的邊緣修低了。當進行這種拋修時，必須仔細注意 圖8.9 典型小拋光模局部修正OPD條紋邊緣面形，以防止塌邊。修磨時即使定位不準確，使表面發(fā)生驟變，也可以重新定位，使之與原來的表面接近。開始拋修一個新的高帶以前，大多使表面 有12個凸光圈。圖8.7(a)為一種麻煩的情況，而其它的的圖形是差不多的。極少數(shù)的情況是在五棱鏡上第一平面有23個光圈，第二平面 有關個光圈，拋修最壞的平面將達到812個光圈。原先用內自準直法測量所達到的角度精度，由于拋光而使精度明顯下降。當然，要恢復角度精度，必須重新加工入射面，決不能拋光已修正好的OPD表面，并應在該面上貼上膠帶紙，以防混淆。習題：1） 直角棱鏡與450偏折的道威棱鏡有何區(qū)別？2） 直角棱鏡的哪一面必須具有最佳的表面質量？為什么？3） 用BSC-2玻璃制作一塊小的直角棱鏡。要求相等的450角+/-5并且無尖塔差，玻璃表面面形為1/4波長，而且有少于1/8波長的不規(guī)則性。4） 如No.3所示棱鏡的光學公差可以滿足OPD公差嗎？檢驗方法如何？如何確定已達到1/4公差的要求？5） 第一個450角是+，第二個450角是的直角棱鏡能否滿足偏差的要求？為什么？參考文獻Chalmer,S.D. and Rylan,F.“Collimating Prisms.” Trans.Opt.Soc.,London(1904-1905).De Vany,A.S.“Making Right-Angle and Dove Prsms,”Appl.Opt.,7,1085(1968).De Vany,A.S.“Testing a Prisms Compound reflecting-Gacc Angles,”Appl.Opt., 14,22971-2792 (1975)De Vany,A.S.“Correcting Glass Angles of a Prism,Appl.Opt.,16,2019-2021(1977)De Vany,A.S.“Tesing Glass Reflecting-Angles of Prisms,”Appl.Opt.,17,1661-1662(1978).Ferson,F.B.“Prisms,Flats,Mirrors,”in Amatuer Telecope Making-Advance, A.G.Ingalls, Ed.,Sci.Am. 75-93(1959).Glazerbrook.R.Dictionary of Applied Pyhysics,Vol.4.Macmillan,New York ,1923,pp.117.Guild,J.Proc.Opt.Soc.(London),22,No.3,139(1915).Guild,J.Proc.Phys,Soc. 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