книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

Отражательные призмы развертываются в плоскопараллельную пластинку. Метод развертки заключается в последовательном построении зеркальных изображений призмы и отраженного луча через каждую отражающую грань призмы. На рис. 84 АВС — прямоугольная призма АР — 90°, ВА'С — изображение призмы,

Рис. 84. Развертка прямо­ угольной призмы

построенное отражающей гранью ВС. Таким образом, с точки зрения геометрической оптики действие призмы АВС на падающий пучок лучей эквивалентно действию плоскопараллельной пла­

АВС имеет прямой угол при вершине А, но а ф ß. Предположим, что все три ребра призмы строго параллельны между собой и пер­ пендикулярны плоскости рисунка. Тогда развертка AB А'С такой призмы представляет собой клин, главное сечение которого расположено в плоскости рисунка, а угол при вершине клина а =-- = а — ß. Поэтому действие такой призмы в оптическом приборе эквивалентно действию клина с углом отклонения со = ( п — 1) ст.

В общем случае при изготовлении призм возникает не только ошибка острых углов, но и непараллельность ребер призмы. Пусть на рис. 87 ребра призмы СС' , А А \ ВВ' пересекаются в некоторой

160

точке Р, образуя пирамиду с основанием АВС. Пирамидальность призмы можно характеризовать углом е между ребром прямого угла и гипотенузной гранью. Призма, одновременно имеющая пирамидальность и клиновидность, вызванную ошибкой острых углов, приведет к пространственному отклонению луча. Развертку такой призмы можно представить в виде плоскопараллельной пластинки и двух клиньей, установленных перед входной и выход­ ной гранями, причем ребра этих клиньев взаимно перпендику­

лярны. На практике допуски на пирамидаль­ ность и клиновидность обычно устанавливают и контролируют раздельно, хотя действуют они всегда одновременно. Наиболее обос­ нованные допуски на пирамидальность и ошибки острых углов назначают с учетом их

Схема измерения представлена на рис. 88. Ось зрительной трубы в положении / устанавливается перпендикулярно грани АС измеряемой призмы, и снимается первый отсчет, затем то же выполняется для грани AB. Очевидно, что разность двух отсчетов, соответствующая положениям / и II зрительной трубы Т, равна 90° + Ѳ, где Ѳ— измеряемый угол. Пользуясь этой схемой, можно измерить любой угол между двумя гранями призмы. Измерив таким образом каждый из углов призмы, полезно проверить ре­ зультаты измерения путем их сложения. Сумма полученных углов должна быть равна номинальной в пределах точности прибора. При этом измерения заканчивают для той грани призмы, с которой они начинались.

Измерение и контроль углов отклонения призм можно выпол­ нить с помощью коллиматора К и зрительной трубы Т (рис. 89). Сущность этих измерений заключается в следующем. Призму

устанавливают на столике гониометра в таком положении, которое соответствует ее работе в приборе. При контроле призм, номиналь­ ный угол отклонения которых равен 90°, необходимо в начале измерений совместить оси коллиматора и зрительной трубы. Затем на столике гониометра устанавливают призму таким обра­ зом, чтобы ее выходная грань была перпендикулярна оси зри­ тельной трубы (проверка по автоколлимационному блику). После этого зрительную трубу совместно с призмой разворачивают до совмещения перекрестия зрительной трубы со щелью коллима­ тора. Для правильно изготовленной призмы угол поворота зри-

тельной трубы равен углу отклонения призмы. Важно отметить, если призма имеет нечетное число отражающих граней, исполь­ зуемых в процессе измерений, то погрешности установки призмы влияют на результаты измерений. Если число таких граней четное, то угол отклонения призмы имеет постоянное значение и практически не зависит от погрешностей ее установки.

При контроле угла отклонения пента-призмы П с помощью коллиматора К и зрительной трубы Т (рис. 90) не требуется точ­ ной установки выходной грани призмы перпендикулярно оси зрительной трубы, так как угол отклонения призмы равен удвоен­ ному углу между отражающими гранями и не зависит от угла входа луча на призму.

Во многих случаях углы призмы можно проверить только с помощью автоколлимационной зрительной трубы, устанавливая ее ось перпендикулярно входной грани призмы. Тогда лучи, отраженные от выходной грани, образуют второе автоколлимационное изображение перекрестия, совпадающее с первым (обра­ зованным при отражении лучей от входной грани) только в том случае, если призма разворачивается в плоскопараллельную пластинку. В противном случае по измеренному расстоянию ме­ жду автоколлимационными бликами можно определить клиновидность призмы. Например, для прямоугольной призмы, контроли-

162

из-за ошибок прямого угла крыши. Угол двоения ф связан с ошиб­ кой прямого угла у зависимостью

призм Довэ можно выполнить с помощью автоколлимационной зрительной трубы (рис. 92), установленной перпендикулярно гипотенузной грани AD. В общем случае в поле зрения наблю­ даются пять бликов. Центральный блик Б г возникает при отра­ жении лучей от гипотенузной грани AD. Блики Б 2 возникают от правого и левого пучков лучей, вошедших в призму, дважды отра­ женных от граней AB и CD и один раз от грани AD. Блики Б 3 образованы при пятикратном отражении лучей.

Если призма не имеет пирамидальности, то все блики рас­ полагаются на одной прямой, причем угловые расстояния между бликами Б 2 — Б 2 и Б 3—Б 3 соответственно равны 4пу и 8пу. Если призма имеет пирамидальность е, то угловая величина смещения линий Б 2 —Б 2 и Б 3—Б з от блика Б ± соответственно равна 2пг

и 4пг.

Измерение углов на гониометре неизбежно сопровождается случайными ошибками: ан — совмещения (наведения) перекре-

стия на его автоколлимационное изображение; <тл — совмещения штрихов лимба при отсчетах при оу — установки призмы на столике гониометра. Поэтому полную ошибку можно найти по формуле [2 ]

При измерениях на гониометре ГС-5 ошибка стн = ол = ±0,5";

6. Контроль качества просветления сферических и плоских поверхностей

оптических деталей

1. Общие сведения о просветлении оптики

Основные потери света в оптических приборах обусловлены отражением света на границах раздела стекло — воздух (для воздуха показатель преломления пх — 1). Величину коэффи­ циента отражения естественного неполяризованного света, пада­ ющего по нормали на поверхность диэлектрика (стекла), опреде­ ляют по формуле Френеля

(48)

где ІЕ, IR — соответственно интенсивность падающего и отраженного света;

п 2, пст— показатели преломления первой и второй среды. Коэффициент отражения на границе воздух—стекло растет с уве­ личением показателя преломления стекла п и для стекол оптиче­ ского каталога составляет от 4 до 8%.

В сложных оптических приборах потери на отражение дости­ гают 80%, а количество вредного рассеянного света может воз­ расти до 10— 15% и дать четкие побочные изображения.

Для уменьшения коэффициента отражения света, падающего на поверхность стекла, в оптической промышленности приме­ няется способ обработки поверхности, называемый «просветле­ нием оптики»; он заключается в нанесении на поверхность стекла тем или иным способом тонкой пленки инородного вещества, пока­ затель преломления которого п 2 меньше показателя преломления самого стекла пст. Уменьшение количества отраженного света происходит в результате интерференции его в пленке. Просветле­ ние должно быть эффективным в достаточно широком диапазоне длин волн. Спектральные характеристики просветляющей пленки задаются в соответствии с условиями эксплуатации приборов. Теория явления, вызывающего уменьшение отраженного света от преломляющей поверхности стекла при нанесении тонких не-

164

поглощающих пленок, достаточно хорошо освещена в литера­ туре [16, 77].

Для однослойной пленки значения коэффициента отражения достигают минимума при той длине волны падающего света, при которой оптическая толщина пленки удовлетворяет условию

/ = (2т + 1) -т">

где т — целое число.

Коэффициент отражения р тем меньше, чем точнее показатель

Коэффициент р = 0, когда условие (49) выполняется точно. Зависимость коэффициента отражения от длины волны X проявляется тем значительнее, чем больше отличаются показатели преломления стекла и пленки и чем больше порядковое число т. Появление окраски, наблюдаемое при отражении белого света от просветленной поверхности, указывает на избирательность отражения, окраска может привести к изменению спектрального состава света, проходящего через просветленную систему, осо­

бенно при наличии большего числа поверхностей. Аналитически спектральная зависимость коэффициента отра­

жения просветляющей пленки от длины волны падающего света

Выражение (50) имеет рекурентный характер, сводя вычисле­ ние коэффициентов отражения для заданного числа слоев к вы­ числению коэффициентов отражения для меньшего числа слоев.

На рис. 93 представлены кривые спектральных коэффициентов отражения, вычисленные для оптических стекол марок ТФ10 и БК.Ю, на которые нанесены однослойные просветляющие пленки

165

из раствора кремниевого эфира (однослойное химическое про­ светление). Оптические толщины пленок заданы равными 1/ік (Я, — длина волны участка видимого спектра). Величина коэффи­ циента отражения в пределах видимого спектра составляет от 0,4 до 9% и зависит от показателя преломления стекла. Из приведен­

ных графиков видно, что данное просветление более эффективно для деталей из стекла с показа­ телем преломления 1,7 и более.

Остаточный коэффициент отра­ жения просветленной поверхно­ сти р в минимуме отражения вы­ числяется по формуле

Р \ п1 + «3

4 \

амарки . ТФ-10, (п0 = 1,806): б — марки БК-10 (л0 — 4,563)

Для марок оптического стекла с показателем преломления, меньшим 1,7, более эффективным является физическое просветле­ ние путем испарения в вакууме MgF2Остаточный коэффициент в минимуме отражения просветляющей пленки составляет при этом 0,9%.

Недостаточная эффективность однослойного просветления обус­ ловила переход к просветлению с помощью многослойных пленок. Так, нанесение двухслойной просветляющей пленки обеспечивает почти полное уничтожение отраженного света определенной длины волны независимо от показателя преломления стекла (рис. 94),

166

однако при этом для других длин волн коэффициент отражения существенно отличен от нуля и может значительно превысить ве­ личину отражения от поверхности стекла без просветляющей пленки. Ширина спектрального интервала минимального отраже­ ния ( р < 1%) поверхности оптической детали, просветленной двухслойным способом, составляет примерно 0,25^min. Получе­ ние минимального отражения в заданном участке спектра обес­ печивается подбором оптической толщины отдельных слоев пленки.

Вследствие избирательного снижения отражения света про­ светляющими пленками при двухслойном просветлении сложных

уменьшается достаточно равномерно в области спектра шириной

250—300 нм.

Выбор вида просветляющего покрытия деталей оптического прибора обусловлен следующими соображениями:

областью спектра, в которой должен работать прибор; величи­ ной показателя преломления стекла просветляемых деталей; конструкцией прибора (числом отражающих поверхностей в нем, конструкцией деталей, наличием склеенных компонентов, тол­ щиной края отдельных деталей); прозрачностью просветляющих пленок в требуемой для прибора области спектра и значениями их показателей преломления; требованиями, которые предъяв­ ляются к условиям эксплуатации прибора, а следовательно, и просветляющих пленок (устойчивость к перепадам температур и влажности, к воздействию химических реактивов, к механиче­ ским воздействиям); удобством и экономичностью технологиче­ ского процесса в условиях данного завода; предполагаемым коли­ чественным выпуском данного изделия.

167

2. Измерение интегральных коэффициентов отражения просветленных оптических деталей

Величина коэффициента отражения света — наиболее важная характеристика просветленной поверхности оптической детали. Отражение света от просветленной поверхности имеет, как отме­ чалось, избирательный характер, поэтому значение коэффициента отражения зависит от длины волны.

В связи с этим исчерпывающей характеристикой просветлен­ ной поверхности является спектральная кривая значений коэффи­ циентов отражения. Однако получение такой зависимости не всегда осуществимо. Более доступным для измерений является коэффициент отражения просветленной поверхностью белого света или света иного сложного состава, обычно именуемый инте­ гральным коэффициентом отражения ринт в отличие от коэффи­ циента отражения ря, для монохроматического света.

Величина ринт зависит не только от свойств просветленной поверхности, характеризуемых значениями р^ по спектру, но и от спектральных характеристик применяемого источника света (дневной свет, лампа накаливания с заданной цветовой темпера­ турой и т. п.) и от свойств приемника радиации (глаз, фото­ элемент, фотоматериал). Рассмотрим подробнее закономерности, связывающие эти величины.

Пусть на просветленную поверхность падает свет от источника с заданным распределением энергии по спектру Іх — f (^)- Отра­ женный свет воспринимается приемником радиации, спектральная чувствительность которого, как правило, избирательная, и харак­ теризуется распределением Sx = / (Я). Связь между совокуп­ ностью значений монохроматического коэффициента отражения и интегральным коэффициентом отражения определяется выраже­ нием

со

I h S i P k dk

Интегрирование осуществляется в пределах, внутри которых подынтегральные функции отличны от нуля. Из приведенного выражения очевидна зависимость величины ринт от спектраль­ ного распределения значений Ix, Sx.

На рис. 95 представлены группы кривых, иллюстрирующих

168

в качестве приемника излучения селенового фотоэлемента и при освещении лампой накаливания в режиме источника А. Аналогич­ ные кривые приведены на рис. 96, но в качестве приемника исполь­ зован фотоматериал типа изопанхром, а источника освещения — средний солнечный свет. Как видно из рисунка, значения длины волны Ят1п, соответствующей области наиболее эффективного

Рис. 95. Графики зависимости интегрального коэффициента отражения от тол­ щины просветляющей пленки Я,т1п:

а — однослойное химическое просветление (пг = 1,45); б — однослойное физическое просветление (п2 = 1,38); ѳ — двухслойное химическое просветление. Приемник-селе-

новый фотоэлемент, источник освещения — лампа накаливания

просветления, существенно изменяются в зависимости от условий освещения и спектральной чувствительности приемника радиации. Для лабораторного контроля наиболее эффективными являются просветляющие покрытия, выполненные в оптической толщине,

с фотоматериалом типа изопанхром, в действительности оптималь­ ным является просветление, выполненное для области 480—520 нм. При лабораторной проверке воспроизведение условий эксплуата­ ции прибора бывает затруднительно. Так, воспроизведение усло­ вий дневного освещения при фотометрических измерениях всегда приводит к снижению светового потока в измерительном устрой­ стве в 5—7 раз по сравнению с уровнем освещенности от лампы накаливания. Воспроизведение приемника радиации с характе­ ристикой спектральной чувствительности, подобной фотомате­

169