Tuesday, April 23, 2013

把被测的抛光球面作为反射面, 当入射光线皆沿曲率半径方向􀀁即球面法线方向􀀁投射到球面上时, 反射光线就按原路折回, 根据这个原理

把


被测的抛光球面作为反射面, 当入射光线皆沿曲率半径方向􀀁即

球面法线方向􀀁投射到球面上时, 反射光线就按原路折回, 根据这个原理

􀀁


􀀁 􀀂 􀀁 年􀀁 􀀂 月光学机械第􀀁 期总第􀀁􀀂 期

光


学球面曲率半径的测全

周


学海

摘


要􀀁 光学仪器, 不论是照相系统、显微系统、望远系统抑或多光束折反系统, 占

较大


比例的是球面光学零件。随着仪器性能的改善、功能的扩大, 对这些球面零件的面

形和曲


率半径的谁确度要求也越益提高, 并且, 球面零件曲率半径随所处仪器不同其长

短相


差甚大, 检侧方法不能互相套用, 何况要求的谁确度又不一。为此, 本文就球面曲

率半


径的各种测量方法、技术和装置, 以及它们所能达到的精度等作一甚为详细的描述,

以


供有关工作人员参考。

一


、引言

光学仪器


, 不论是照相系统、显微系统、望远系统还是多光束折反系统􀀁指激光谐振腔

等


􀀁 , 都离不开球面光学零件

。

随着


科学技术的不断发展, 对光学仪器所能达到的性能及要完

成


的功能更高、更多

。

所以


, 要求球面面形及其曲率半径加工得更准确。

于


是, 一方面促进

了球面


零件加工工艺的更新, 另一方面, 对球面面形和曲率半径的检测方法提出了更高的要

求


。

一般


来说, 照相物镜, 显微物镜或投影物镜之类的球面零件其曲率半径较短, 通常在几

毫米到几百


毫米量级, 最长不过数米, 测量它显然要有高的精度􀀁 而望远物镜和激光谐振腔

之类光学球面的曲


率半径较长, 短者数米, 长者可达上百米。虽然精度要求相应较低, 但测

量方法却不同于短


半径的情况。这里, 我们撇开球面面形的检测问题不谈, 仅就短半径􀀁约

几米


􀀁 和长半径􀀁几米􀀁 上百米􀀁 的测量技术

、


方法

、

装置及


其可能达到的精度、

优


缺点等

作由


简人繁且比较详细的描述, 目的是为一些有关工作人员提供参考, 使之有所取舍, 有所

改进


。

二


、短曲率半径的测量方法

􀀁

􀀁

球径


仪

􀀁􀀂


􀀁 环形球径仪

这种球径仪是利


用测量球面的一部分对应的矢高来计算球面曲率半径的。如图􀀁 所示,

设球面


被测部分的环半径为厂, 对应的矢高为􀀁 , 则曲率半径􀀁 可由下式􀀁

􀀁


􀀁 􀀁

􀀁


􀀁

􀀁


一

尸


一

􀀁

􀀂

价

计算得到


, 测量环的断面如图􀀁 所示, 中心是测量杆􀀁 , 用读数显微镜读取测量杆􀀁 的位

置


, 测微目镜可淮确地读到士􀀁 件􀀁 , 而测量环的半径值是预先准确给出的, 精度约为士􀀁 抖􀀁 ,

􀀁


图􀀁 是测凸面的情况, 测凹面时, 球面与测量环的外棱相接触􀀁 。为了测量不同口径的透镜

一

􀀁


􀀁,

芝

􀀁􀀂

一

‘

’

􀀁


卜峭阻五

凡


􀀁􀀁􀀁么一一致旅

􀀁􀀁􀀁


􀀁􀀁􀀁 合

图


􀀁 球径仪原理简图图􀀁 测量环

的曲


率半径, 环形球径仪备有一组不同环直径的测量环。

这种仪器最小可测


半径凸面约为

􀀁


􀀁 􀀁

、


凹面约为􀀁 􀀁 􀀁 , 测量精度约为半径的士􀀁

􀀁

􀀁􀀂


写。但由于环, 杆要与被测球面接触,

且


接触面尖小, 所以容易损坏被测件的抛光表面。

􀀁􀀂


􀀁 一屯钢珠球径仪

这种球径仪的


原理简图如图􀀁 所示。由钢珠中心确定的圆的半径为犷, 钢珠半径为􀀁 ,

显然


, 曲率半径可按下式

、


二抓“一粤士。

􀀁


􀀁 􀀁

计算


得到

。

式


中测凹面时取“ 十”号, 测凸面时则为“ 一”号

。

用


球径仪测量时, 均先选取测量环的直径, 以较被测透镜直径小􀀁 一􀀁􀀂 􀀁 􀀁 为宜, 然后

把一块平板玻璃放在


测量环􀀁 􀀁 , 以此时测量杆的位置为零位, 从读数显微镜上记下其位置读

􀀁􀀁􀀁


􀀁􀀁􀀁

之


一匀卜‘月

图


􀀁 二二钢珠球径仪图􀀁 自准直显微镜法

数


, 再将被测透镜放上, 又得一读数, 两次读数差, 即为被测量球面所选测量环的矢高

。

用钢珠代


替尖棱与被测球面接触, 既可减小接触应力, 又可减少测量的磨损, 延一

长


使用

寿


命, 而测量精度相同。

􀀁

􀀁


自准直显微镜法

在这


种方法中, 我们把被测的抛光球面作为反射面, 当入射光线皆沿曲率半径方向􀀁即

球面


法线方向􀀁 投射到球面上时, 反射光线就按原路折回, 根据这个原理, 如图􀀁 所示, 首

先


移动显微镜􀀁或被测透镜􀀁 , 使得由显微镜射出的光束径被测球面反射回来在分划板上生成

清晰而无视差的分划象


, 然后前移􀀁测凸面􀀁 或后移􀀁测凹面􀀁 显微镜, 使之无视差地看清

球


面上的脏点􀀁以小脏点为宜􀀁, 此时, 移动距离即为被侧球面的曲率半径

。

这种方


法虽系非

接触


式, 但由于受自准显微镜孔径角和光束截面的限制, 所以被测球面的口径较小, 测凸面

一


􀀁 􀀁 一

更其困难

。


一般􀀁􀀂􀀂 面可测半径多在。一􀀁 􀀂 􀀂 􀀁 􀀁 之内, 而凸面在􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 之内, 然而测量精度则

可达


􀀁 􀀁 􀀁 􀀂 􀀁 􀀁

。

􀀁


􀀁 刀口仪法

从刀


口仪􀀁图􀀁 􀀁 星点孔发出的光束射向被测凹球面, 倾斜调节球面和纵向移动刀口

仪


, 使从球面反射回来的星点象呈在刀口的附近, 横向移动刀口仪, 用刀口来切割星点象。

测

丫

了

犷

乡

图


􀀁 刀口仪测球径示意图图􀀁 刀口仪测球径的结构参数

量时


, 主要是找凹球面球心的位置。当球面有局部误差时, 则以找到半明半暗􀀁阴影􀀁 的面

积


最大为准‘ 找到一

球


心位置后、用较好的卷尺量出被测球面边缘到乃口的距离去􀀁 一如卧􀀁 所􀀁

示


, 设被测面的直径为􀀁 , 星点孔到刀口的距离以乙表示, 则曲率半径可用下列近似公式仁

来求出


􀀁

“


“ 五􀀁 摺􀀁􀀁 􀀁

图


􀀁 中, 当各很小时, 八可以忽略不计

。


显然, 刀口仪法只适于测凹球面, 其可测最小半径

由刀


口到星点孔的距离己来决定, 其精度为士􀀁 􀀁 􀀁􀀂 􀀁

。

􀀁


􀀁 球面干涉仪

能


测量球面光学零件曲率半径的球面干涉仪有激光球面干涉仪〔” 和全息球面干涉仪〔􀀁 】,

它们


都应用高相干性的􀀁 。一􀀁 􀀁 激光作光源

。


前者是采用经很好梢象差的光学设计和精细研磨

的标


堆镜头􀀁图􀀁 􀀁 , 而其最后一个折射面为分光面, 构成一个菲索型干涉系统, 由分光面反

射


返回的光波作参考波, 而由被测球面反射返回的光波作物波, 在干涉场可以观察到相应的

干涉条纹

。


测量被检球面曲率半径的原理基本上和自准显微镜法大致相同。若移动被测球面

使标


准镜头的焦点落在球面顶点上时􀀁此时, 干涉场出现对称型条纹或能辨别焦前焦后的折

衷干涉图象


􀀁 记下被测件的位置读数􀀁 , , 然后, 再移动被测件至光束在其上自准反射回来时

俘


乍神耘堆净考面

攫

􀀁


􀀁 􀀁 测凹面􀀁􀀂 􀀁 测凸面

图


􀀁 激光球面干涉仪测球径示意图

􀀁


此时干涉场为直条纹或一片均匀亮场或暗场􀀁 记下位置读数􀀁 􀀁 , 则􀀁 􀀁 􀀁 一􀀁 , 􀀁 就是被测件

的


曲率半径。

一


􀀁 􀀂 一

由


于在顶点位置时波面反射后发生了横向颠倒, 而标谁镜头及其前面的光学系统不可能

有非常对称的光学


常数􀀁如色散, 均匀性、应力条纹等􀀁 , 所以将发生干涉条纹不直, 只能以

大略对


称位置为顶点位置, 这种定位不准确的情况就影响了曲率半径测量的精度。

全息球面干涉仪


是利用全息波带板的原理〔‘〕, 以一个薄膜全息透镜作为标准透镜, 如图

􀀁


所示, 测曲率半径的基本原理和步骤与激光球面干涉仪相类似, 所差的是为了提高千涉条

闯


􀀁􀀁􀀁 􀀁􀀁􀀁􀀁􀀁

卜

‘


􀀁􀀁􀀁

月


􀀁国由

􀀁


􀀁 􀀁 测凹面􀀁􀀂 􀀁 测凸面

图


􀀁 全息球面干涉仪测球径示意图

纹


对比度, 不移动被测球面而是移动全息透镜􀀁激光球面干涉仪难以做到􀀁 , 使泰曼型的两光

束支路


等程差, 但是, 由于薄膜透镜上光学常数的对称可以做得较好, 即使球面顶点处波面

横向颠倒后


, 干涉条纹仍能很直

。


所以顶点定位很准。用这种干涉仪测曲率半径可精确到

􀀁


林􀀁 以内

。

上述两


种球面干涉仪对凸面和凹面都可兼测, 只是凸面的半径受标准镜头或全息透镜的

口


径和相对孔径的限制, 不能测得很大。

三


、长曲率半径的测量方法

􀀁


, 直接皿量法

如图


􀀁 所示, 在待测凹面镜的曲率中心附近放置一块标记有十字线的毛玻璃屏, 十字线

由约为


􀀁 􀀂 􀀂 瓦的灯所照明, 十字线的反射象呈在屏上, 调节镜与屏之间的相对位置直到屏上能

观察


到明锐的十字线象为止, 这时, 屏与镜之间的距离就是曲率半径, 其测量精度取决于我

们对


明锐聚焦屏上的判断能力。用瑞利判据来确定离焦误差, 则有下列关系式〔“ 〕􀀁

测量误差


􀀁 士􀀁 入􀀁 们􀀁􀀂 􀀁

式中


入是波长, 􀀁 井是凹面镜的􀀁 数􀀁􀀁 琳􀀁 半径􀀁 孔卿。这种方法需要有一个较大的操作空间,

并且


不适用于凸面镜。

毛


玻军明

􀀁


幼勺碑移片跳

􀀁

􀀁


尔

彬

图


􀀁 直接测量法

􀀁


􀀁 象散法

当一


束堆直光束以一离轴角度人射在镜面上时, 镜面的反射光就产生了诸如象散之类的

一


􀀁 􀀂 一

象差


。通过象散的测量, 就可以测得此镜子的曲率半径。这种方法的实验装置如图􀀁􀀂 所示

。

从


􀀁 。一􀀁 􀀁 激光射出的激光束由显微物镜和准直物镜使之准直, 在显微物镜焦点上放一空间

白

月


‘ 一陇徽九田

显


撅拓魏

千


龙线·

􀀁

熟


才可

􀀁

「

焦


距为少耐

叭


矢生

图


􀀁 􀀁 象散法测球径示意图

是曲


率半径可按下面的关系式〔􀀁 〕求得􀀁

􀀁


􀀁 􀀁 􀀁􀀁 􀀁 􀀁􀀁 􀀁 􀀂 “

􀀁


􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

滤波器


, 待检的镜面置于入射角为􀀁 的光束

中


, 该镜面的反射光束通过会聚透镜聚焦在

一个屏上


, 而此屏放在观察显微镜的移动架

上


, 聚焦透镜与光轴同轴, 并置于距镜面为

厂的地


方, 首先使子午象􀀁竖直线􀀁 聚焦在

屏上


, 记下此时屏的位置, 然后, 让此屏后

移


, 以便使弧矢象􀀁子午线􀀁 明锐地聚焦,

再


记下此象的位置, 这两个位置之差即得到

由此


镜面引人的轴向象散, 用􀀁 来表示, 于

􀀁


􀀁 􀀁

待


检镜被装在旋转台上, 首先通过观察针孔本身的反射象自准地调好此镜子, 然后使其相对

于这个位置旋


转一个􀀁 角􀀁转台带度盘􀀁 , 这种情况下, 􀀁 角也可测出。

这


种方法既可测凹

面


, 也可测凸面

。


不过, 在凸面镜下, 弧矢焦线靠近透镜, 而在四镜下, 子午焦线靠近被检

镜


。这种方法的测量误差大约是曲率半径的士􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

。

􀀁

􀀁


自准直望远镜法

同


自准直显微镜法原理一样, 我们将一块平面镜放在望远镜前面􀀁如图􀀁􀀁 所示􀀁 , 轴向地

卜


一一􀀁

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排􀀁

一


一一

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􀀁􀀁􀀁


迁「尹刃

一


一牙不􀀁一

􀀁􀀁􀀁

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