1、基础光学工艺第五章 玻璃的均匀性检验第 27 页第五章 玻璃均匀性的检验光学元件的玻璃均匀性检验是一种基本检验，因为大的不均匀性无法在光学抛修中消除。操作者必须了解他所加工的玻璃。即使玻璃均匀性符合 MIL174-A 的指标有时仍不能满足要求，所以要用一种简单方法进行检验。本章中，叙述玻璃均匀性的检验方法分为三部分：威廉姆斯干涉仪、激光干涉仪和巴比特裣干涉仪。在检验玻璃时应制成具有一定精确度的平行平南，其精度必须达到可以同时观察到透射条纹和反射条纹，也就是就试件平行度必须在 20“以内。在此将讨论三类干涉仪。威廉姆斯干涉仪系利用两个球面镜（曲率半径接近相等） ，球面的曲率半径对就被检玻璃的厚度
2、符合穆翟激光干涉仪使用 f/8 的抛物面镜。另一类干涉仪，即巴比特补偿器，基本用途是测量玻璃中的应力。1.威廉姆斯干涉仪由于气泡室、风洞和大型天文望远镜的出现，需要高均匀性的大块厚玻璃有的玻璃直径为150cm，厚度 16cm。威廉姆斯干涉仪提供了一种低耗费的检验玻璃均匀性的方法。这种仪器也可用于检验平行平面的平行度，并为制造分光板提供了一种检验方法。威廉姆斯 干涉仪的光学系统简单，在大多数光学车间或实验室里都可找到零件或自行制造，其光学原理见图 5-1。两 块球面镜的球面性为 1/32 波长，并有相同的曲率半径和直径，其镜面互成 90 放置，其中一击剑安装在导轨上，以便对固定球面镜作调整。在一
3、般的光学车间中，球面镜直径为 30.7cm 曲率半径为 310cm（曲率半径可以在 50mm 范围内变化）。这种仪器适用于厚度为 5200mm 的玻璃。对于厚度大于 200mmr 玻璃，要求 R/D 为 14。图 5-1在三脚架上放置一块小型分束器，并大致处于两 块球面镜的半径夹角内。因为这是等光程干涉仪，接近等厚玻璃的补偿器须放置在靠近分束器处，由于光束锥角很小所以实质上不会对结果产生什么影响，仪器光源需 要 0.2mm 直径的针孔和舌簧式水银灯。其中一块反射镜须镀 45|45 分光铝膜，另一块可以不镀膜。干涉仪的调试要求较高，在安放被检样品（平行平面零件）和补偿品前必须先调零。两块球面镜要
4、调到可以在分束器中观察到反射象，然后使象重叠。首先有小的圆条纹出现，随着可调球面镜的调整，圆条纹由小变大，直到可 图 5-2基础光学工艺第五章 玻璃的均匀性检验第 28 页以观察为止。当出现间隔大约为 1in 等间距的直条纹时，则把被 检样品和补偿器安放在各自 的位置上。由于玻璃厚度不均匀或与补偿器的楔角不同， 通常仍需作进一步调试。与所有长干涉仪一样，扰动的空气流会影响威廉姆斯干涉仪。为此，可将仪器封闭在硬纸板制的隔离罩中，或者将球面镜的 R/D 值缩小，使仪器结构按比例缩短。例如，如果玻璃厚度小于 25mm,则 R/D 值可取 7。检验的均匀性样品玻璃，其粗抛光平面的平行度必须达到 20“
5、并使 150mm 直径区域内达到不超过一个波长的表面精度。因为还要检验被检样品的菲索反射条纹，所有的玻璃样品应靠近镀膜反射镜，这个问题在下一节将仔细地讨论。玻璃补偿器放置在靠近分束器处，并与玻璃样品厚度相当。可调反射镜架和分束器一样，也要进一步调试，以使两块反射镜的反射象相互重叠。当观察到圆条纹时，可调 反射镜沿着轴向调试，使条纹间隔增加。这才是正确的调试方向。移动可调反射镜，使条纹间隔大约为 1 英寸.如果被检样品均匀，则条纹应是平行等距工透射条纹可能会因穿过光路中的空气流而发生飘动。现在我们对玻璃的均匀性作定性的快速检测。先找出间隔为 1 英寸的平行条纹的区域（见图 5.2 所示图案）并用
6、软钢笔标出，再用在水平面内移动条纹的办法检查一遍，圈出不均匀区间。检测时条纹会象打开水龙头的水一样溢出。一些玻璃疵病可参阅图 5.3 和图 5.4。虽然某些有疵病的玻璃不能制作棱镜，但可用于制作其他用途的光学零件。图 5-3 图 5-42.穆翟干涉仪穆翟干涉仪是大型干涉系统中价格最便宜的一种。图 5.2 所示为牛顿准直仪，它是由一块30cm、焦比为 f/4.0 的抛物面反射镜和低功率可同激光光源（大约 0.5mw）及 10 倍或 20 倍显微镜组成的准直仪，0.25in 抛光轴承滚珠可以代替显微物镜，如图 5-2 虚线所示（出可见第二十章） 。当没不楔角或略微有些楔角的平行平板置于平行光中即准
7、直光束中时，就会投影出对f/4.0 的抛物面反射镜和低功率可见激光光源（大约 0.5mw）及 10 倍或 20 倍显微物镜，如图5-2 虚线所示（也可见第二十章） 。当没有楔角或略微有些楔角的平行板置于平行光中即准直光束中时，就会投影出对 f/4.0 焦比的抛物镜校正球差的横向切变干涉图。这是一类有多种用途的干涉仪。因为准直光束中的元件稍加改变和重新配置就可用干涉法检验平行平面、透镜等。由于人们对光学玻璃和晶体均匀性的检验感兴趣，使这种干涉仪得到了广泛的应用。2.1 条纹条纹就是脉纹或纹路，其折射率与周转玻璃不同。这便于仔细观察，在横向切变干涉图纺图见图 5.3。如果被检的玻璃样品未能经抛光，
8、可将两块已抛光过的平行平面板用匹配的折射液粘附在样品的两个细磨表面上。各种折射率的匹配折射液可以买到或自行配制，平行平面板的平行度必须优于 10”，两面都抛光到优于 1/4 光圈的质量，并进行条纹度检验。因为粗条纹在成象系统中会引起明显的光斑，而许多细而模糊的条纹可能产生光散射并使象不清晰，所经棱镜选料时要切除这些粗条纹。也可用类似方法对样品进行刀口，大型窗口用刀口检验可以判基础光学工艺第五章 玻璃的均匀性检验第 29 页断脉纹般的条纹是否沿着玻璃毛坯横断面方向延伸，如果条纹出现在垂直方向或成锯齿形，则应放弃这块玻璃或晶体。2.2 气泡如果气泡的大小或数量不致辞在光学系统中发散相当一部分光线，
9、一般是可以忽略的，然而，有时大的气泡或气泡群会使这部分玻璃无法采用。2.3 结石结石就是玻璃中不溶解的微小粒子，它们可能是原混合物的一部分，但通常是搅动棒或坩锅在熔化玻璃原料时掉下的小碎片。除了结石不能与玻璃混合外，有时因它在玻璃中的部分熔解而留下彗星尾迹。气泡和结石可以目视出，在被 检样品的两个细磨表面上涂上匹配折射油，然后将其放在显微照明灯下检查即可。2.4 应力应力不易用穆翟干涉仪检查出来，较好的办法是对置于毛玻璃下的被检榇品用正交偏振片来检查，随着偏振片的旋转，光强逐渐均匀地减弱，这样就可查出玻璃或晶体内是否存在应力。应力严重的玻璃或晶体形成马尔泰斯交叉图形。用树脂胶合剂连接时常产生应
10、力。我回想起在某一项导弹工程中，制作一个小型光学导向系统时所碰到的困难。卡塞格林望远镜的副 镜系统是 8 倍后发现连接两块透镜，经过样板重新检验后发现连接两 块透镜的树脂胶合剂使球面发生了变形。应力图形是马尔他斯交叉图。表面有 4 条条纹的象散，而胶合前只在 1/8 条纹！注意图 5-2 中投影在墙上的横向切变条纹和在样品背后的菲索干涉条纹的形成，并按实际尺寸拍下或画下条纹的轮廓和结石、气泡条纹的方位，还要数好菲索 条纹数（每英寸 1 条条纹相当于 1.5”）2.5 其它不均匀性有时样品的条纹图形中显示出微小的不规则，但将其放入准直激光束中却并不移动，这些不规则条纹不是由于未校正抛物面的带区象
11、差，而是由于被 检样品中存在微小的非均匀区域之故，当光学样品移动时，宏观世界们仍然固定在各自的区域中。大多数光学晶体是围绕一粒晶籽四周生长出来的。就象投石落水时所激起的波纹一样，晶体也按圆形波列聚集在一起。有些如水晶和这类晶体材料，因生长时偏离晶籽中心，而产生偏心的不均匀圆波列。图 5-4 是根据一张光学石英窗用 R/D 为 15 的球面镜进行了刀口检验。如果这个圆环系统有一个固定的中心，并且环数很少的话（石英中每一环可有正负 10-6折射率的变化） ，则透镜或校正板的象质变劣程度将是极小的。一些大口径透镜的球面可能需要作局部抛修。必须指出，在使用穆翟干涉仪时由于窗口的检测位置在准直光束中处于
12、 45 方位，使之可以检验比干涉仪直径大 1.4 倍的窗口。巴比特补偿干涉仪利用偏振的巴比特补偿仪器可用来测量应力。若插入窄带滤波器并改变光源，它就可改装成勒洛威尔型偏振干涉仪。该仪器还具有测量每种波攻轴向色差（）的附加用途（是对预定波长的焦距变化） 。此类仪器易于装配成任何一种巴比特应力测试设备 。图 5-5 是装配成的这种仪器。它由两 块玻璃偏振片和一个用舌簧式水银灯源照明的针孔及一只直角棱镜组成。一块带有 5mm 小缝的 12mm 正方形偏 振片胶合于仪器装配后的棱镜入射面上，带有 0。1mm 针孔的小型舌簧式水银休光源必须放置于离胶合棱镜 2mm 处，以减少舌簧式灯散发出的热量影响。在
13、巴比特补偿器中可滑动的晶体楔板的作用与勒洛威尔偏振干涉 仪中的渥莱斯登棱镜的基础光学工艺第五章 玻璃的均匀性检验第 30 页作用相似。应用泰曼佩里方法可以利用巴比特补偿器定性或定量地测量玻璃和晶体材料的均匀性。这种测量是根据条纹图形中观察到的双光程差来实现的。用穆翟方法可测量折射率为 10-7级的变化，可以在球面镜中观察到 1/20 波长（一个波长为5.510-4mm）.球面镜的面形必须有优于1/32 波长的质量，对于厚度小于 62mm 的玻璃，球面镜的 R/D 值为 10；对于厚度大于 200mm 的玻璃为 14。R/D 为 14 的球面镜也可以用于检验校薄的样品。如果样品直径较小，覆盖比率
14、将满足 R/D 的要求。将已达到条纹检查质量要求的平行平板用匹配折射率油粘贴到被检样品上，就可以检查细磨样品的均匀性。如果没有高质量的平板，可换用盖玻扯。将盖玻片用匹配油粘贴在样品上后再进行检验（在干涉仪上检验盖玻片的质量，画下其干涉图是个好办法） 。 图 5-5若在球面镜的 1/2 半径处移动被检样品，就可用这台仪器观察到菲索条纹（见图 5-6） ，但应在离轴位置上观察。图 5-6 图 5-7重要的是巴比特干涉仪可以提供横向切变干涉图，并可用于检验自准直透镜系统。正如已指出的那样，本仪器还可以测量轴向色差。图 5-7 便是抛修主镜或校正透镜时利用该仪器检验的马克苏多夫望远镜系统。习题：1、写出本章所讨论的三种形成干涉仪 名称，哪一种是最简单的装置？2、在干涉仪中观察到什么样的干涉条纹是由光学透明材料中结石、条纹引起的？3、干涉仪分光板的哪种条纹必须修抛成直条纹？4、细磨的玻璃毛坯如何检验均匀性？5、若在 4in 直径的 BK7 玻璃块上有 4 条条纹，则其楔角为多少？
