(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(6–14in)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200in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21×10-6in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21×10-6in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
