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1、第二章 常用检测工具（一）,第一节 平行光管、自准直仪,典型的光学测试装置为光具座，光具座的类型一般以其上的平行光管焦距的长短来区分，光具座的外形如图所示，它主要由平行光管、带回转工作台的自准直望远镜、透镜夹持器和带目镜测微器的测量显微镜组成，以上几个部件可以排列在一根底座导轨上，可根据不同测量工作需要灵活地加入或取下一些部件，所有的部件皆可以沿导轨滑动并固紧，还可变换它们的位置以组成各种测量装置。,光具座具有很强的通用性和灵活性，例如光学系统的焦距测量、分辨率测量、星点检验等均可在它上面变换部件组成不同用途的测量系统来完成。 在光具座上检验各种光学参数和光学性能所依据的基本理论是-几何光学的
2、成像理论、几何像差理论，以及物理光学的夫琅和费衍射理论。 所以光具座所采用的测试技术，可以认为是几何光学和物理光学的应用技术。,一、平行光管（准直仪） 作用 提供无限远的目标或给出一束平行光。 组成 望远物镜(或照相物镜）和安置在物镜焦面上的分划板。 物镜和分划板由镜筒连接在一起，焦距1000mm以上的平行光管一般都带有伸缩筒，分划板装在伸缩筒一端，另一端滑配合装入大镜筒内，伸缩筒的滑动量即分划板离开焦面的距离，该距离可由伸缩筒上的刻度给出，移动伸缩筒即能给出不同远近距离的分划像（目标）。,焦距3000mm以上的平行光管往往将物镜与分划板分开装在两个水泥台上。 分划板通常有汽车灯泡或1-2W小
3、电珠经毛玻璃均匀照明。 若平行光管用于给出平行光束或无限远的星点，则用小孔光阑或星点板替换分划板，用钨带灯或小面积大电流的钨丝灯经聚光灯将丝成像在小孔处照明，也可将光谱灯的单色光或激光聚焦于小孔上以提供单色平行光。 平行光管还附有一只高斯目镜和一块反射镜。,平行光管种类 （1）常用平行光管：物镜（胶合、非胶合、球面反射镜）焦距：5002000mm主要用于检定望远仪器的分辨率及视差的调整。550型平行光管如图,平行光管的分划板的形式有许多种，主要区别在于玻璃板上刻度形式的不同，主要代表有： 十字线分划板、分辨率板、 星点板-用在玻璃上镀膜或激光加工的方法制得，透光孔直径小于0.05mm，最小的为
4、6m。小孔光阑一般用圆金属薄板或锡箔，在中心钻孔而成。 玻罗板-上面刻有五对间距不同、线条宽度也不相同的刻线，专门供测量透镜焦距用。,（2）长焦距平行光管物镜焦距可达50m，物镜和分划板应放置在没有任何振动的坚实构架上。主要用于测距仪的调整。平行光管物镜焦距越长，调整的误差就越小。 （3）短焦距平行光管物镜焦距短至几十毫米用于检定垂直、水平角或需要瞄准至某一点时使用。 （4）大视场平行光管主要用于检验望远镜的视场，也可用于检验系统的像倾斜和光轴水平零位。,（5）球体平行光管可作为均匀的发光光源，用于仪器内部杂光的调整。,平行光管的调校： 调校平行光管的主要目的是是分划板刻线平面与物镜焦平面精确
5、重合；同时还要求刻线中心位于光轴上。 使分划板刻线面位于物镜焦面上的调校方式很多，下面介绍两种：自准直法和五棱镜法。,一、平行光管 （一）自准直法调校平行光管 自准直法调校平行光管的方法适合于中小口径的平行光管。 原理如图所示：,平面镜,物镜,分划板,分束镜,光源,目镜,（一）自准直法调校平行光管 首先要在平行光管的分划板后配置一个带分束镜和照明光源的目镜，这样平行光管就构成了一台自准直望远镜，用一个平面度很好的有效孔径大于平行光管通光口径的平面镜对向自准直望远镜，光源发出的光经分束镜照明分划板，分划板发出的光线，经物镜射出，由平面反射镜反射回来，再经过物镜生成分划板的像。,（一）自准直法调校
6、平行光管人眼位于自准直望远镜出瞳处观察，调整平面反射镜使人眼在观察到分划板上刻线的同时观察到该刻线的自准像，借助清晰度法和消视差方法沿光轴方向前后小量移动分划板，当人眼判断分划板刻线像与刻线本身同样清晰无视差时，表明分划板准确位于平行光管物镜的焦面上。,（一）五棱镜法调校平行光管 五棱镜的特点：在入射光轴截面内，不论入射光线的方向如何，出射光线总是相对于它的入射光线折转90，即始终互相垂直，五棱镜法正是利用这个特点来达到准确调校的目的。调校原理如图所示：,将五棱镜置于平行光管前，用前置镜观察经过五棱镜折转的来自平行光管分划刻线的像，调节前置镜使它的分划线与分划刻线像对准，五棱镜沿垂直平行光管光
7、轴的方向移动，若看到二者始终对准，即分划刻线像不随五棱镜平移而发生横向偏移，说明平行光管出射的是严格平行光。分划板已准确位于焦面上。,如果看到刻线像有横向偏移，且当平行光管位于观察者左方，五棱镜移向前置镜时，刻线像由右向左移，则表示出射的是发散光，分划板位于焦内，应将平行光管分划板向远离物镜方向移动；,如果看到刻线像有横向偏移，且当平行光管位于观察者左方，五棱镜移向前置镜时，刻线像由左向右移，则表示出射的是会聚光，分划板位于焦外，应将平行光管分划板向物镜方向移动。经过几次调整后即可调焦到焦面位置。如果平行光管位于观察者右方或与五棱镜移动方向相反，刻线像的偏移方向皆与上述的相反。,调校时，为避免
8、五棱镜移动不平稳而使平行光管分划刻线像发生上下移动，并由此引入对准误差，要求五棱镜平滑移动。 本方法的特点是将纵向调焦变为横向对准。由此引起的调焦误差与消视差法调焦误差相当，因为两种方法都是观察目标像（这里是平行光管分划刻线像）在前置镜分划板上的横向偏移，所不同的仅是消视差法是眼睛在出瞳面上摆动，而五角棱镜法是五角棱镜在光束截面内摆动。 比较两种方法可得：自准直法简单易行，但误差较大，适合于调校口径较小的平行光管；五棱镜法调校准确度较高，但操作校繁，适用于调校大口径平行光管。,自准直目镜,自准直目镜是一种带有分划板及分划板照明装置的目镜，一般自准直目镜不能单独使用，与望远镜配合使用可构成自准直
9、望远镜，与显微镜配合使用则构成自准直显微镜，它们统称为自准直仪。 所谓自准直就是利用光学成像原理使物和像都在同一个平面上的方法，例如自准直望远镜，是利用无限远的物经平面反射镜反射仍然成像在无限远的成像原理实现自准直的。如图所示：,又如自准直显微镜则是利用位于球面镜球心处的物经过球面镜反射仍然成像在球心处这一原理来实现自准直的（也可利用位于平面镜上的物仍成像在平面表面上，位于球面镜顶点的物仍成像在球面顶点等成像原理）。,由上述可见，要实现自准直，首先要将分划板照明，于是在自准直仪的物方便形成分划板的像，这个像对于放在自准直仪前面的平面镜或球面镜来说则是“物”，根据前面所讲的“物和像都在一个平面上
10、”这一原则，反射回来的光将在物镜的像面上形成分划板刻线的自准像，而且自准直像与分划板刻线本身位于同一平面上，因此通过自准直目镜看去，二者是同样的清晰。常见的照明方式有三种，相应地就有自准直目镜（高斯式、阿贝式、双分划板式）。现以组成自准直望远镜为例，分别介绍如下：,（一）高斯式自准直目镜（高斯目镜）,如图所示：光源经与光轴成45角放置的分束镜反射反射照明分划板，它经物镜成像在无限远，再经平面反射镜反射回来，又在分划板上生成其自身的像。成像光线透过分束镜射向目镜，眼睛通过目镜观察，既可看到分划板上刻线的同时又可看到刻线的自准像。,如果平面镜与自准直望远镜的视轴（分划板刻线中心与物镜后节点连线）垂
11、直，则刻线自准直像的中心与刻线自身的中心重合。 这种自准直仪的主要缺点是分划板只能采用透明板上刻划不透光刻线的形式，无法采用不透明板上刻划透光刻线的形式，因而像的对比度较低，且分束板的光能损失大，还会产生较强的杂光。,（二）阿贝式自准直目镜（阿贝目镜）,光源通过照明棱镜照明分划板的一小部分，在分划板的这部分镀铝，并在铝膜上刻出一透光十字线，被照明后，从物镜看去为一亮十字线，它经过物镜和平面镜后返回的自准像，必须成在不被棱镜遮挡的透明部分，才能从目镜中看到，如果平面镜垂直于物镜光轴，则亮十字线和它的自准像将对称于物镜光轴与分划板交点的两侧。,（二）阿贝式自准直目镜（阿贝目镜）,阿贝目镜的分划板形
12、式之一如图所示，分划板的中心位于光轴上，透光十字线与十字刻线对称位于此中心的两侧，如果平面镜垂直于光轴，从目镜将看到亮十字线自准像中心与十字刻线中心重合，图中虚线表示照明棱镜的位置。,（二）阿贝式自准直目镜（阿贝目镜）,阿贝目镜的特点是射向平面镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮十字线像。阿贝目镜大大改善了像的对比度，且目镜结构紧凑，焦距较短，容易做成高倍率的自准直仪。 主要缺点是直接瞄准目标时的视轴（十字刻线中心与物镜后节点连线）与自准直时平面镜的法线不重合，且视场部分被遮挡。,（三）双分划板式自准直目镜,如图所示，由于使用了两块分划板，所以称为双分划板式。辅助分划板上镀有铝层，并在中心刻
13、有透光十字线，目镜分划板上刻有角度十字分划线。光源透过毛玻璃均匀照明辅助分划板，从透光十字线上发出的光经分光镜反射回来射向物镜，从物镜出射的平行光经反射镜反射返回，并透过分光镜在目镜分划板上生成自准像。,如果平面镜与自准直望远镜视轴严格垂直，则辅助分划板上的十字线中心在目镜分划板上的像与分划板刻线中心重合，因此要求两块分划板都准确位于物镜焦面上，而且二者刻线中心应位于同一条视轴上。这种自准直目镜能实现视轴与平面镜法线重合，且像质的对比度好，但光能损失较阿贝目镜大，结构较复杂其中一块分划板若有垂轴方向移动则会造成自准时平面镜法线与视轴不重合，故不如高斯目镜可靠。,三、目镜测微器,依照工作原理和结
14、构的不同，目镜测微器有多种，在GXY-08A型光具座上仅用到其中一种，即螺杆式目镜测微器。它也是光学测量仪器中最常见的一种。在这里，目镜测微器只用于小线值和小角度的测量。其结构与工作原理如图1-15所示。 测量显微镜用目镜测微器代替显微镜的目镜，就构成了测量显微镜。置于测量显微镜物方的被测物体（如毫米刻度尺、玻罗板等），经物镜成放大的像在目镜测微器的分划板上。,三、目镜测微器 测量显微镜,要测量某一对刻线的间距，需要转动手轮，是活动分划板上叉线对准其中一条刻线像，根据叉线旁的竖直分划线和手轮刻度得到一个读数，再转动手轮，使叉线对准另一条刻线像，得到又一读数，两次读数差乘以格值就得到这一对刻线像
15、的间距，再除以显微物镜的垂轴放大率 ，即可得该刻线的间距。测量前应调节被测刻线，使活动分划板的移动方向与被测刻线垂直（因为要测一对可先艰巨的垂直距离）。,三、目镜测微器,测量望远镜：用测微目镜代替望远镜的目镜则构成测微望远镜。位于无限远的物体（例如置于平行光管焦面上的一对刻线），经望远镜成像于目镜测微器的分划板上，用测微目镜测出这一对刻线像的间距b，应用式（ 为望远物镜的焦距），即可求出这一对无限远的刻线对望远镜入瞳的张角 。 实际上常常根据上述公式将测微手轮的格值换算成角度值，这样就可以用测微手轮直接读出角度值 。,四、由基本部件组合成的光学测试装置,由平行光管、透镜夹持器和带目镜测微器的显
16、微镜排列在一条导轨上组成的测量装置通常称为光具座，它主要测量正、负透镜和照相、望远物镜的焦距及物方、像方顶焦距；检验照相物镜、望远物镜的像质（如分辨率、星点检验等）；测量普通物镜的畸变等。 将平行光管和带回转台的自准直望远镜放在导轨上组成的测量装置可以检测棱镜的像质和测量棱镜的光学平行度等。,将平行光管、透镜夹持器和自准直显微镜在导轨上组成的测量装置，可以检测球面干涉仪的标准物镜出射的球面波的球心与物镜最后一个凹球面球心的同心度，还可以用自准直法测量透镜的顶焦距和凹球面的曲率半径。 带圆度盘的精密转台配上平行光管和望远镜则构成精密测角仪； 若将平行光管和望远镜换为自准直望远镜和测微望远镜则可构成测量航空照相机畸变的精密畸变仪。 轻便型光谱仪和全息照相装置等也用到平行光管、测微显微镜和自准直望远镜。,2 四、由基本部件组合成的光学测试装置,总之，应用平行光管、目镜测微器、自准直目镜（配上望远物镜或显微物镜），再加上一些光学器件（平面镜、光学度盘等）和机械装置，可以组成多种光学测试装置，解决各种光学检测即装校问题。,
