短焦距抛物面镜

lczhy00001 · 发表于 2004-1-28 23:47:00

焦比为F/2或小于F/2的短焦距抛物面镜的结构会给抛物面镜的加工与测试带来困难: 首先,它与最接近球面曲线的偏离量大;其次,要得到用于观察表面质量的一束无崎变的广角光束是困难的.
一把球面变为接近要求的抛物面为例，通常的做法是把中心带区加深，在边缘形成与球面相切的抛物面。在加工过程中常把边缘区作为可靠的参改面。
如果对抛物面的焦点要求高，则必须选择不变形的边缘带区以产生正确焦点的球面曲线。该边缘或参考带区必须始终保持着，不能作为其它加工。
研磨阶段，为检验抛物面曾尝试过如用样板、移动千分表、摆动千分表和球径仪等许多方法，但很少成功。除样板外，失败的许多原因是由于企图使球面边缘区域变形。幸好在研磨与抛光时并不需要修抛就可以把F/2的球面变为F/1.02的抛物面,形成一块高质量的抛物面反射镜,而且,如果用下面所述的适当方法,则在抛光所能达到的范围内修磨曲面是可能的。

1.光学加工方法
下述方法虽然不是最好的方法但一直在成功地应用，如果灵活使用可以做得更好。
第一步、根据要求的抛物面F值，选择适当的球面半径。
第二步、细磨与抛光球面成为一个旋转的无象散的优质表面，特别是使在边缘区域，也就是在直径上0.25 in 宽的边缘带区无象散。要使该球面产生正确的焦点这一点是重要的。
以6 in、F/1.0抛物面为例，计算了球面边缘1 in 带区与抛物面间的差值，结果表明在边缘的最大差值为0.000066 in 。用一般球径仪测不出这个值，然而市售的斯德特雷斯巴电子球径仪就有这种测量能力。
下一步是选择球径仪的测量环。直径为6 in 的抛物面用2.5in 的测量环。
首先求出2.5 in测量环的球径仪读数或H值为0.2571in，再求出球面与抛物面间h的差值为0.0026in。将该差值与球径仪读数值相加得0.2597in。这就是球径仪上测出的要求抛物面深度的接近值。
当然，要进行这种测量，球径仪的测杆必须精确地定位于工件的中心上。
因为抛物曲面在直径方向上的曲率是不断变化的，所以当抛物面完全成型后，除了中心附近小范围内是球面外，仅在极狭的迂回转变上是球面，因此需要用弹性好的按直径分段的一些磨具。已证明将小块瓷砖胶到泡沫橡皮上制成的磨具是满意的。这是因为若磨具是耐磨的，就可以采用大的按直径分段的磨具。重要之点在于：为了获得最佳结果，这些按直径分段的磨具不能旋转。虽然它们是带弹性的，但若旋转的话，仍会形成球形表面。
泡沫橡皮应是高质量的。市售的许多级别的泡沫橡皮质量低劣，效果很差。粗磨时最好选用1/3直径的磨具，细磨时最好选用1/2直径的磨具。
固定在海绵橡皮上的砖块数在按直径分段的磨具上要任意排列，无特殊的图形。磨具至少偏心1/2直径。当采用小直径磨具时，它们必须足够小并且应多种多样，然后按常规把瓷砖或玻璃研磨平滑。因为小瓷砖面积很小，相互之间间隔较宽，从而减少了磨具的相对工作面积，模具的面形变化快，更能趋近抛物面的形状。研磨开始时，由于中心研磨区的作用，研磨呈对称性。中心区磨出后，慢慢地以短的动程将研磨扩展到接近边缘的差改区域。对差改边缘附近的区域，加工量按如下确定：球径仪的读数表明中心区曲足够深时，则差改带内侧的表面不必研磨得很充分。当然界于中心区和边缘区之间的情况还不清楚，但可试一试，说不定抛物面已进入抛光模可以加工的范围以内了。
进入抛光模加工范围的意义不能只就其字面上的意思。因为，对于短焦距抛物面的抛光与修正的量要比仅变化几个波长的抛物面的修整量大几倍。
此外，这时的磨具并不旋转，但它必须在同样的旋转位置上形成研磨的表面。如果磨具可以旋转，就会切出槽，其结果类似于洗澡盆的盆底。
有些工人用另外型式的抛光模，能否成功尚有问。这些型式包括星形、四叶瓣形和点列花样形，它们也用瓷砖面、泡沫橡皮作底，其主要的缺点是径向运动受到限制，以致有形成切带状的趋势，使短焦距抛物面上的小切带不可能消除。

2.光学表面蜡涂
R. 莫里（Moreau）和箶布金斯曾经讨论了在细磨面上涂蜡来模拟反射抛光面与透射抛光面方面的应用。涂蜡抛光表面的实验表明，由表及里145号或95号砂细磨过的表面可以用巴西产的扇棕（Carnauba）蜡处理：用一小块纸片将表面轻轻涂抹，待干燥后，再用尼龙球用力抛光，直到出现均匀和亮的光泽为止。当然，由于涂沫不均匀仍会有抛光不均匀的现象，但光学检验时不会引起困难。这种蜡涂过的表面用于罗契检验能方便地观察到罗契图，但不能用于刀口检验。图20.1所示为附有照明光源的光学检验装置。
如果抛光时采用可挠性衬底的磨具，则用与研磨时一样的模具直径并且亦不旋转。沥青抛光模不应太硬也不要把方格制作得太大或太厚。太厚的方格模面在海绵橡皮上易于倾斜或抛出带状面形。抛修时用液压传动，以往复摆动臂来带动一只小型的可挠性沥青抛光模已获得初步成功。抛光时用Linde抛光粉。这种装置可以使抛光模在需要修正的任何位置上作短时间的停顿。用另外两种抛光模在两个带区消除轻度的不规则面形是切实可行的，一种是直径等于参考带区宽度不开槽整体软沥青型的；另一种抛光模与第一种抛光模的直径相同抛光模，但用海绵橡皮衬底的沥青方格膜面。这些抛光模主要在最后抛光阶段作修正之用。抛光时用氧化或Barnsite细抛光粉。在检验前的一段短时间内抛光模不要旋转，但要加压重，并谨慎地用微量的偏心（2mm），使各种带状面形光滑起来。

3.光学检验装置
一旦抛光到可以测试，则检测时应能得到表面形状的真实塔图形。部分检验装置可以完成该项工作，但大部分均有某些缺陷。所有准直物镜的检测系统中在刀口检验时都会产生色差问题，采用狭带滤光片可使这一问题得到解决；若采用黄光波长，则可以获得最好的对比度。
曲率中心检验法对检验高质量产品不太理想，因为广角的发散光束与会聚光束使带区光锥的交点难以精确测量。
检验许多高质量F/1.0抛物镜的一种方法早已由德雷（Draper）和理奇及其他所采用，目前亦有许多熟悉这种方法的人正在应用。但这台仪器不是仓促搭成的，而是必须精密地制造才能达到要求的结果。
图20.1是牛顿装置的原因图：SP是短焦距抛物面；LP是牛顿望远镜；S是光源；L是小球面聚光镜。直角棱镜将光束偏转到小球S，小球S将光束大大地放大; d为斜边尺寸；f1和f2分别为反射镜的焦距。
首先考虑的问题涉及反射镜的镜座，镜座应牢固并带有横向对准和倾斜的精密调整机构。严格的准直性极为重要的，不要将45° 反射镜安装到极限位置。光源与聚光镜装在十字导轨上，可以聚焦并调节垂直度。用0.125或0.187in的玻璃棒制成小球，在玻璃棒的中间加热，然后轴向拉长形成两个象铅笔状的尖锐小点。断开玻璃头，再加热小头的一端直到形成约1/32in大小的玻璃小球。在火焰中慢慢地将棒向上拉伸，以消除棒或球中的应力。这种球状光源扩束器应镀银或。
3.1校准
若不用导轨或光具座校准这种系统，则首先应建立起光学导轨的中心线。牛顿系统的中心必须置于短焦距抛物面的中心线上，这可以在横穿孔径胶有细十字的牛顿望远镜孔径处用吊铅线的方法来校准。用同样的方法校准短焦距反射镜，所有元件沿轴向平面内应具有相同的高度。移动45° 放置的呈椭圆的小直径反射镜，使抛物面中心区的大部分不被遮拦。这是切实可行的办法。
将如图20.1所示的检验平面即镀的标准自准直平面插入系统并严格地准直，装上刀口并调整自准直平面（不是牛顿观察望远镜），观察由牛顿抛物面反射镜的自准直刀口切出的阴影图。这一步完成后就构成用短焦距抛物面测试的参考准直仪。一旦这种调整实现，刀口必须无轴向移动，但应位于牛顿望远镜（抛物面）的焦点上。
调整中用了经细定位的十字丝及铅，以确保镀反射镜的十字丝与牛顿望远镜开口处的十字丝及被修磨反射镜镜座上的反射镜的十字丝有同样的高度。所有十字丝的反射象必须重合。这种调整虽不可能做得太仔细，但无论如何也不能使系统的这部分失调。
精密调整完成后就可以移去标准平面，短焦距抛物面镜就可以与光源、棱镜及球形光源一并组合起来。
开始研磨抛物面时，外参考带区镀是合理的以有助于对准。如果对准前已完成抛光，则可在中心区上胶带纸而仅将边缘参考带区露出。调整这种反射镜也要用十字丝及铅垂线。根据中心线定中反射镜，两块反射镜的顶点尽可能精确地调整到相同的高度，以使所有零件的中心在同一高度上。初调整时，用大光源取代球形光源。大光源必须大致地置于短焦距抛物面镜的焦点上且具有相应的高度以照明初步调整用的十字丝。
根据观察到的刀口位置的视场情况来调整短焦距抛物面，所以必须将刀口位置稍微下移，但决不能轴向移动。如果刀口的立式滑座在适当的位置上，为了观察到由光学元件反射的光源，虽需作微量移动但不会改变轴向位置。
调整短焦距抛物面镜，使该抛物面镜上的十字丝仅仅在镀铝反射带区部分可以观察到。初调整完成后，移去大光源，仍在该处装上小型球光源。
首先用高度测量标尺和铅垂线将球光源定位在中心线上，然后用测微器将球光源根据调焦位置调到要求的位置上。
调整球光源时，常会出现看不到的情况。这是因为球光源的表面不是一个测量点，其测量点在小球面的曲率中心处，所以用测微器调焦定位以前，必须将焦距减去光源的半直径。
通过多次测量使光源的位置尽可能精密地定位后，将棱镜放入离短焦距抛物镜1in以内处。如果棱镜的位置太靠近光源，则会拦去一部分反射光线，所以应调整棱镜的高度使之位于中心线上。小直角棱镜或镀铝小反射镜应有足够大的面积。
如图20.1所示位置安装光源和聚光镜。因聚光镜的焦距短，可使光束完全聚焦在镀铝球光源的表面上。这里使用弧灯较为理想，因为灯源的大小约为0.003in，
并且光强强。接着可以着手进行最后的调整即“切割与对准”。在刀口上最好使用目镜，若看到象散图象则说明光学元件处于夹紧的状态下。第一个象通常是偏离要求的，但是易于调整。
如果长焦距抛物面应有的焦距为120in，则刀口的放大率约为肉眼观察的20倍，据此可检验一下该系统的孔径。
牛顿反射镜的孔径应比F/1.0系统的孔径稍大一些。如果牛顿反射镜的孔径测
量值为8in，则它可以是一块F/1.0的球面反射镜。这两个焦距比（抛物镜为6in，被检反射镜为120in）必须足够大，以保证放大20倍来观察F/1.0反射镜表面的修正情况。
进行粗调时，可根据刀口上形成的大圆来估计各种调整的稳定性与精度。开始调整阶段较为困难，这是因为开始阶段要仔细使用牛顿装置。
操作者需要一名助手，先将光源会聚于球光源上，再用大光源看看光源是否到达刀口。如果没有到达刀口，则在水平面内与光轴垂直的各个方向上将光源稍移动一下，每次移动后再找光源象。如果得不到好的结果，则将光源返回到原始位置，并稍微调整一下准直性。每次调整后要重新寻找光源象。
无论什么情况下都不要挪动长焦距反射镜或系统中各部件的零件。
如果光线通过系统后不能反射回来，则建议重新检查一下初始的调整并重新校准。
当象找到时，用“方法再一次作精细调整。因为这是一种共轴系统，用十字丝对准虽是有利的，但所有的十字丝象都应重合，成象区域应产生消象散的象，并且刀口应均匀地切割参考带的边缘区域。象一找到，精确的位置也就确定了。而且不可以再走动。此时长焦距抛物面镜、反射镜及刀口必须保持固定，仅允许在F/1.0装置上作一些必要的调整。
因为要多次从镜座中取下和放上短焦距抛物面镜，故镜座的结构必须稳定。如果整个装置不需要重新对准的话，反射镜必须靠着刚性固定的光栏，用易于松开的压力弹簧固紧。
关于灵敏度的概念从下面的例子中可以得到认识。如果从短焦距抛物面镜到照明球光源的距离变化0.001in，则长焦距抛物面会聚点的距离变化是它的24倍。没有这样大的放大倍数就很难检查出曲率中心的带区误差，此时它们看上去就好象瑞士阿尔卑斯山脉那样地起伏着。
3.2用激光对准
图20.1中表示出激光照明球光源的使用情况。激光可以穿透贴有Scotch胶带的未抛光的细磨玻璃表面，使激光束很容易地穿过反射镜投射于球玻璃表面上。当然，是由一个小到0.025in的镀铝平面反射镜再将激光束反射到球光源上的。在附录12中对这种方法作了相当详细的介绍。
复杂的光学装置用激光束是极为有利的，可以用低功率的激光器。一台额定功率为0.3mv的激光器就可以够用，但仍不可以没有保护玻璃或中性滤光器来直接观察光束。在毛玻璃屏或墻上观察刀口切割的象是切实可行的，也可用类似的投影方法观察罗契图。

短焦距抛物面镜

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