1、第二节 自准直法测量平面光学零件光学平行度,一、概述平面光学零件的种类很多，如各种反射棱镜、色散棱镜、多面体、玻璃平板以及光楔等，它们的主要几何参数是角度，因此角度是平面光学零件的主要测量项目。这类光学零件中除少数外，例如少数棱镜以外，其余绝大多数零件的角度测量都属于小角度测量的范畴。例如反射棱镜，反射棱镜有角度误差和棱差（各个棱相互不平行）时，展开后的等效玻璃平板的两个平面就不会一有严格平行。其后果是使光学系统光轴方向改变并影响成像质量。因此在反射棱镜的生产图纸上严格规定有“光学平行度”这一质量指标。等效玻璃平板两个平面之间的夹角不得大于图纸规定的光学平行度数值。对于反射棱镜，只需要测量光学
2、平行度和双像,第二节 自准直法测量平面光学零件光学平行度,一、概述差（反映屋脊棱镜的屋脊角误差）就可以知道棱镜误差和棱的偏差是否在允许的范围内，不必测量各个角度的实际大小和各个棱之间的夹角。本节主要介绍应用自准直望远镜测量那些能够沿入射光轴展开成等效玻璃平板的棱镜的光学平行度。这些棱镜有直角棱镜、五棱镜、列曼棱镜等，还包括直角屋脊棱镜、列曼屋脊棱镜等多种屋脊棱镜。以上各种棱镜统称为反射棱镜。还有等边三棱镜、角隅棱镜等。当然也包括平面平行玻璃板，但不包括道威棱镜，因其光轴不与折射面垂直，不能同时看到两个折射面的自准直像。,第二节 自准直法测量平面光学零件光学平行度,常见的用于测量光学平行度的自准
3、直望远镜有两种:1.带阿贝目镜（简称阿贝自准直望远镜），测量范围；2.带测微自准直目镜（简称测微自准直望远镜），测量范围10绝大多数自准直望远镜的分划板上所刻数字为实际对应角度的一半，这时测量范围分别为30和10，测量不确定度分别为20和 10（有的测微自准直望远镜可高达）。二、测量光学平行度的一般原理测量各种平面光学零件小角度的自准直法的基本原理与自准直法测量透明玻璃平板不平行度的原理相同。,二、测量光学平行度的一般原理,下面以透明玻璃平板为例说明基本测量原理。如图所示，当光束垂直被测平板前表面入射时，除一小部分被直接反射外，其余大部分仍然与光轴平行地进入玻璃板内，在被测玻璃板的后表面产生第
4、二次反射，由于前、后两表面间有一个二面角，即后表面的法线与光轴亦成 角，因而在后表面上的反射光线与光轴成 角，该反射光线穿过前表面时，入射角也为 角，设平板玻璃的折射率为，折射角为，由于 和 都是极小的角度，因而有：,前表面,后表面,二、测量光学平行度的一般原理,由平板前后两表面反射的两束光之间的夹角 与平板不平行 度 之间有以下关系：作小角度近似后有：由于阿贝式目镜的分划板是按“二倍关系刻度法”刻线的，也就是说，从黑色标尺上读出的两个亮标尺之间的角距离 是上式中的 的一半，即自准直望远镜读数减半后得：,被测平板,自准直望远物镜,分划板,目镜,二、测量光学平行度的一般原理,为被测玻璃平板的折射
5、率；为自准直望远镜中与平板两表面反射的自准直像间距对应的角度读数值（）。,被测平板,自准直望远物镜,分划板,目镜,二、测量光学平行度的一般原理,如图所示表示自准直望远镜视场中看到的两个自准直像（小十字线）的相对位置。设分划板上的格值为，则两个像的间距的读数值为，当折射率n为1.5时，平板平行度误差 实际测量中，光束不一定要严格垂直于前表面入射，只要入射角较小（例如小于），式（4-18）仍然是成立的。,被测平板,自准直望远物镜,分划板,目镜,二、测量光学平行度的一般原理,由此可见，自准直测角法的基本原理很简单，但其应用却非常广泛，不仅在光学行业，而且在机械制造等行业都有着广泛应用。由几何光学可知
6、，在计算反射棱镜的外形尺寸和像差时，可以以其反射面为对称面，把它展开成等效平板玻璃，反射棱镜展开后与平板等效，为保证光学系统的性能和像质，等效平板玻璃的入射面和出射面必须严格平行。然而由于棱镜加工中不可避免的误差，使得它们不可能绝对平行，这就造成了反射棱镜的光学平行差。因此上述测量平板平行度测量原理完全适用于反射棱镜的平行度的测量。,三、反射棱镜光学平行度的测量,所有反射棱镜。当入射光轴截面内的各个角度没有误差和各个棱彼此平行（棱的不平行偏差称为棱差或塔差）时，都能展开成入射面和出射面严格平行的等效玻璃平板。如果有角度误差和棱差，展开后的平板入射面和出射面将不平行。光学平行差：当光线从反射棱镜
7、的入射面垂直入射时，它在出射前相对于出射面法线所偏离的角距离。,三、反射棱镜光学平行度的测量,实际上，这就是由反射棱镜所展开成的大小平板玻璃的平行性误差。光学平行差 在棱镜主截面P上的分量，称为第一光学平行差；即由角度误差造成的两平面在在光轴截面内的不平行；在过光轴且与棱镜主截面垂直的平面Q上的分量，称为第二光学平行差。即由棱差则造成两平面在垂直于光轴截面内的不平行，反射棱镜D1-90的两个光学平行差 和，如图所示。,P,Q,三、反射棱镜光学平行度的测量,为了了解两种光学角度误差和棱差所引起的不平行度在总的不平行度中各自所占的比重，以便改进工艺、减小误差、提高生产效率，需要分别测出 和。,三、
8、反射棱镜光学平行度的测量,反射棱镜的光学平行差与其各个面、棱的实际误差有一定的关系。对反射棱镜D1-90来说，应用几何光学的理论可以推知：它的第一光学平行差等于两个基本角度为45的二面角的实际值之间的差；它的第二光学平行差等于直角棱A与其相对的斜面BC的夹角（即棱差）的 倍，。这样的角度关系式，还可以从有关的光学仪器设计手册中查出。,Q,三、反射棱镜光学平行度的测量,为此要求自准直望远镜分划板上的两条互相垂直的刻度尺分别平行和垂直于入射光轴截面，利用这两条刻线尺即可分别测出 和，如图4-9（b）所示（图中）。,三、反射棱镜光学平行度的测量,下面介绍三种反射棱镜的测量。（一）直角棱镜D-90（等
9、腰、一次反射、使光轴偏转90）见图4-9，将棱镜放在自准直仪上，调整自准直望远镜和工作台，可以从望远镜视场中找到自棱镜两个折射面AC和AB面反射回来的两个十字线像，使其中一个的竖线与刻尺的长竖线重合，另一个的横线与长横线重合，,（一）直角棱镜D-90,因横刻尺与棱镜入射光轴截面的方向平行，故由横刻尺读出的角度，同理，由竖刻尺读出的角度（由于分划板上所刻的数字为实际角值的一半，故读数）。其中 为 与 的差值，为C棱与AB面的平行度。如果（不一定要等于45度），C棱平行于AB面，则自准直像合而为一。,（二）五棱镜W-90,如图所示没有误差的五角棱镜应有，A棱和C棱在AC连线方向是平行的，这时 面平
10、行于 面。如果存在角度误差和棱差，面和 面将不平行，这时在自准直望远镜中出现两个自准直像，读出的角度分别为其中：（分别为C角、A角对 的偏差，为A、C连线方向的平行度，又称B棱差）。,（二）五棱镜W-90,五角棱镜W-90的主要作用是出射光束在光轴截面内相对入射光束折转90，而且当棱镜有小量摆动或入射光束在入射面法线附近变化时，在光轴截面内，这个折转角度不变。因此检查入射光束经五棱镜是否准确折转90，在许多情况下是十分必要的。这里简要介绍一种检查光束是否折转90的自准直方法，该方法的准确度可以达到角秒级。,望远镜1,望远镜2,平面镜3,角镜4、5,（二）五棱镜W-90,如图4-11，先使两个测
11、微自准直望远镜1、2互相对准，用两块平面镜4、5构成45角（要求误差在1以内），其中一块平面镜可以微调以改变两平面镜间的角度。把它们放在两望远镜中间，整体改变其方位，使望远镜1出射的光束折转大致90。放入并调整平面镜3使光束原路返回（即望远镜1实现自准直），整体转动成45角的两平面镜（以下简称45角镜）至图中虚线位置，使望远镜2出射光束射向平面镜3，为使望,望远镜1,望远镜2,平面镜3,角镜4、5,（二）五棱镜W-90,远镜2实现自准直，将45镜中的一块平面镜和平面镜3各绕垂直轴微调，微调量各占自准直偏离原分划板中心距离的一半。再将45角镜转回（图中实线位置），看望远镜1是否对平面镜3实现自准
12、直，若未自准直，仍用各调一半的办法使之自准直。这样反复几次，直至45角镜在两个位置上，望远镜1和望远镜2都分别对平面镜3严格实现自准直为止。,望远镜1,望远镜2,平面镜3,角镜4、5,（二）五棱镜W-90,这时即达到平面镜3的法线与两测微自准直望远镜的瞄准轴严格垂直（若测微自准直望远镜的测角误差不大于2，则其垂直度不大于1）。撤去45角镜换上被测五棱镜，使望远镜1的瞄准轴大致垂直于五棱镜的入射面（从入射面反射回望远镜1 的分划像大致位于分划中心），用望远镜1的测微器测出平面镜3反射的分划像偏离分划中心的角值，它的一半就是五棱镜的入射光束与出射光束的垂直度。,望远镜1,望远镜2,平面镜3,角镜4
13、、5,（三）等腰屋脊棱镜D-45,如图4-12，如果存在角度误差和棱差，在自准直望远镜视场中也要出现两个自准直像；如果屋脊角不等于90，则从第二个折射面反射回来的像要被分成两个，这时视场中共有三个像。,（三）等腰屋脊棱镜D-45,这后两个像的角距离为经两个屋脊面反射从第二折射面折射出去的两个像对应的角距离（称为双像差S，,n为棱镜材料的折射率，为垂直屋脊棱的平面与入射光轴的夹角）的两倍。由于分划板上的读数已减半，故读得的这两个像对应的角度就直接等于双像差。,（三）等腰屋脊棱镜D-45,对着棱镜的AC面哈一口气，视场中的亮度不变的那一个像就是从入射面BC反射的像，即图4-12（b）中的像。即可从
14、视场中读的 和S，如图4-12（b）所示，其中 应从像和的中间算起。与角度误差、棱差的光系分别为：。为图中的棱镜ABCBAC之差；称C棱差，为屋脊AB在包括AB棱并垂直于图4-12纸面的平面内的偏折角，,（三）等腰屋脊棱镜D-45,判断实际屋脊角大于还是小于90，即判断90的正负，至少两种方法：（1）将自准直望远镜的目镜向正视度调节（反时针旋转目镜），若看到像 和 彼此靠近，则屋脊角大于90，若看到双像离开，则小于90。（2）用纸屏在望远镜和被测棱镜之间沿垂直屋脊棱的方向往下移入光路中（纸屏边缘平行于屋脊棱），若发现双像的上面一个先消失，则屋脊角大于90，若下面一个像先消失，则小于90。,四、
15、角隅棱镜的三个90角的角度误差测量,角隅棱镜又称角锥棱镜、锥体棱镜、三面直角棱镜等，它由三个互成直角的工作面构成一棱锥，第四个工作面（弦面）与三个棱的夹角相等，形状如同从一个正方体上切下一角一样，如图4-13所示。这种棱镜的可贵特性是：当光线从弦面（图中ABC面）入射时，不论棱镜如何晃动，产生光线始终与入射光线平行。正是利用这个特性，激光测长技术取得很大发展，例如在激光地面测距和激光精密测长中，都用到了角隅棱镜,O,A,B,C,O,A,B,C,3516,四、角隅棱镜的三个90角的角度误差测量,例如在激光地面测距和激光精密测长中，都用到了角隅棱镜作为“靶”，使投向靶的光线按原路返回，由此精确测出
16、靶到光接收器的距离或靶的距离变化量。为了达到高准确度测长目的，对三个直角提出了很高的加工精度要求，一般直角误差为1-2甚至0.5以内，用自准直法检验其直角误差既简便可靠，又能保证达到高准确度要求，是一种很好的方法。下面介绍两种检验方法。,（一）补偿棱镜法,如图4-14，在角隅棱镜的弦面上用与棱镜材料折射率相近的折射液贴置一块相同玻璃牌号的直角补偿棱镜，其补偿角是3516。自准直望远镜出射光束垂直于补偿棱镜直角面入射，相当于入射一块屋脊棱镜，OA棱是屋脊棱，两个屋脊面分别是OAB和OAC，入射光束与屋脊棱的垂直面的夹角，因此经两个屋脊面反射回来的两个最亮的自准直像对应的角距离，根据双像差计算公式
17、 得：OAB和OAC两平面夹角与90的偏差：用同样的方法可以测得角隅棱镜另外两个直角与90的偏差。,A,B,O,C,（二）斜入射法,补偿棱镜容易损伤弦面，如果使平行光束以入射角 从弦面入射，则折射光线垂直于棱AO，如图4-15所示，这时，经两个直角面反射回来的光束，在自准直远镜视场中生成两个明亮的自准像，它们的角距离，读数，与式（4-19）相同。当角隅棱镜用K9玻璃制造时，这时入射角。,（二）斜入射法,由图4-15可以看出，棱镜按光路展开后等效于一色散棱镜，所以自准像呈现彩色。但色散方向与自准像分开并且方向垂直，只要自准直望远镜绕自身光轴微微转动，总可以找到使自准直刻线像足够清晰的位置，即刻线方向与色散方向平行，这时仅刻线像的两端呈彩色，只要在刻线像中心处测量两像的角距离，就不会受到色散的影响。以上两种测量90角度方法的方法都能达到0.5甚至更高的测量准确度。,
