基础光学工艺第二十六章 傅科刀口检验或阴影检验第二十六章 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2110- 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用I1、E作刀口检验时，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1800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。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