傅科刀口检验或阴影检验

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1、基础光学工艺第二十六章 傅科刀口检验或阴影检验第 158 页第二十六章 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。基础光学工艺第二十六章 傅科刀口检验或阴影检验第 159 页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

7、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

8、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。

9、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 点处的斜率变化基础光学工艺第二十六章 傅科刀口检验或阴影检验第 16

10、0 页并记为 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

11、 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

12、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

13、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

14、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）基础光学工艺第二十六章 傅科刀口检验或阴影检验第 161 页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

15、， 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

16、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