高精度光學(xué)材料折射率測(cè)試儀光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孟慶華

摘 要：為滿(mǎn)足高精度測(cè)量光學(xué)材料折射率的要求，研制了基于最小偏向角法和三最小最小偏向角法的折射率測(cè)試設(shè)備。文中介紹了該設(shè)備的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵部件精密軸系和微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和計(jì)算。結(jié)果表明：光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可滿(mǎn)足高精度光學(xué)材料折射率的測(cè)量精度要求。

關(guān)鍵詞：光學(xué)材料 折射率 光機(jī)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0051-01

隨著精密光學(xué)儀器的快速發(fā)展，對(duì)光學(xué)材料中折射率的測(cè)試精度要求越來(lái)越高，光學(xué)材料折射率的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。一些新型光學(xué)材料的開(kāi)發(fā)也對(duì)光學(xué)材料折射率提出一定的要求。

很多人對(duì)光學(xué)材料折射率的測(cè)量提出了多種有價(jià)值的測(cè)量方法[1-2]，主要有測(cè)角法和干涉測(cè)量法。該文介紹了基于測(cè)角法中使用最小偏向角法測(cè)量光學(xué)材料折射率的測(cè)試儀中的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 光機(jī)結(jié)構(gòu)方案

高精度光學(xué)玻璃折射率測(cè)試儀主要由底座、測(cè)角系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)、自準(zhǔn)光管、平行光管、載物臺(tái)和光源箱組成。測(cè)角系統(tǒng)主要有增量編碼器和上下精密軸系。自準(zhǔn)光管、平行光管、光源箱和測(cè)角系統(tǒng)固定在一平臺(tái)上，平臺(tái)下面有三個(gè)地腳用于儀器調(diào)平。平行光管和自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡可以旋轉(zhuǎn)和俯仰調(diào)節(jié)，用于對(duì)準(zhǔn)平行光管和自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的光軸，同時(shí)用于調(diào)整光軸垂直于碼盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸。載物臺(tái)有點(diǎn)槽面調(diào)平機(jī)構(gòu)。光源箱配置有Hg、H、Na、Cs、He和Cd共六種燈，各種燈波長(zhǎng)見(jiàn)表1。

1.1 測(cè)角系統(tǒng)

下層軸系精度較高和碼盤(pán)相連，同自準(zhǔn)光管固定在一起；上層軸系和載物臺(tái)相連。下層軸系可采用平面軸系或背對(duì)背精密軸承。平面軸系精度較高但體積較大，適合于折射率精度要求較高的測(cè)量?jī)x器，通常折射率測(cè)量精度要求高于3×10-6時(shí)需采用平面軸系，軸系精度要達(dá)到0.5”；背對(duì)背精密軸承精度略低但體積小，適合于折射率精度要求稍低的測(cè)量?jī)x器，折射率測(cè)量精度要在1×10-5左右時(shí)可以采用標(biāo)準(zhǔn)軸承，軸系精度要達(dá)到2”。上層軸系可采用密珠軸系或標(biāo)準(zhǔn)軸承，軸系精度要達(dá)到5”。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)

測(cè)角系統(tǒng)調(diào)節(jié)分為粗精兩種方式，載物臺(tái)大范圍粗調(diào)時(shí)，用手推動(dòng)固定在上層軸上的手輪來(lái)完成，精調(diào)時(shí)由螺旋微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)完成。它的最小步距由下式確定：

式中：α為微調(diào)最小步距；S為螺距；R為回轉(zhuǎn)半徑。

若R=261 mm，S=0.5 mm，則α=1"。

自準(zhǔn)光管大范圍調(diào)整時(shí)，用手推動(dòng)自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡來(lái)進(jìn)行大致對(duì)準(zhǔn)，然后可通過(guò)手輪手動(dòng)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)，最終可通過(guò)微動(dòng)機(jī)構(gòu)手調(diào)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

當(dāng)用蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)時(shí)，最小進(jìn)給量可由下式確定：

式中：Z為蝸輪齒數(shù)；θ為蝸桿的旋轉(zhuǎn)角度；φ為粗調(diào)進(jìn)給量。

熟練的操作者，手感轉(zhuǎn)動(dòng)角度可按1°計(jì)算，蝸輪模數(shù)為0.5，齒數(shù)Z=480。則最小進(jìn)給量為7.5″。

為了提高折射率的測(cè)量精度，光靠蝸桿進(jìn)給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，因此，這里又利用杠桿原理設(shè)有第二級(jí)微調(diào)其結(jié)構(gòu)。最小精調(diào)進(jìn)給量由下式計(jì)算：

式中：R為擺桿長(zhǎng)度；S為微調(diào)螺桿螺距；b為放大桿前端長(zhǎng)度；B為放大桿后端長(zhǎng)度；φ為精調(diào)進(jìn)給量。

取R=217 mm，S=0.5 mm，b=16 mm，B=87 mm，可計(jì)算φ=0.25″。當(dāng)使用精調(diào)時(shí)，必須使蝸輪蝸桿脫開(kāi)，否則無(wú)法進(jìn)行微調(diào)，甚至?xí)p壞微調(diào)機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿脫開(kāi)方法是，向外搬動(dòng)蝸桿，搬到一定程度，蝸桿支撐軸還會(huì)自動(dòng)限位鎖死，蝸輪會(huì)自由旋轉(zhuǎn)。蝸桿脫開(kāi)后，搬動(dòng)微調(diào)鎖緊旋扭，使微調(diào)擺桿與下轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊，即可進(jìn)行微調(diào)。?

1.3 平行光管和自準(zhǔn)光管

平行光管是由聚光照明系統(tǒng)，可調(diào)狹縫，離軸拋物面反射鏡組成。聚光照明系統(tǒng)中的反射鏡可俯仰和旋轉(zhuǎn)兩維調(diào)整，聚光鏡可前后、高低、左右調(diào)整。狹縫前有光欄，可得到不同狹縫高度，狹縫可旋轉(zhuǎn)調(diào)整，也可前后調(diào)焦。離軸拋物面反射鏡只能做旋轉(zhuǎn)調(diào)整，其它靠加工保證。

自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡是由離軸拋物面反射鏡、反射鏡、半透半反鏡、狹縫及激光器、切換反射鏡、PSD、目鏡等組成。同平行光管一樣，離軸拋物面反射鏡只做旋轉(zhuǎn)調(diào)整，反射鏡可俯仰和旋轉(zhuǎn)調(diào)整，半透半反鏡可做俯仰和旋轉(zhuǎn)調(diào)整，狹縫可旋轉(zhuǎn)調(diào)整。PSD可左右調(diào)整，分劃板和目鏡可前后調(diào)焦。

2 結(jié)論

該文介紹了高精度光學(xué)材料折射率測(cè)試儀光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)主要部件精密軸系、傳動(dòng)和粗精調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，結(jié)構(gòu)方案可滿(mǎn)足高精度光學(xué)材料折射率測(cè)試儀的指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧文和.JC-1型精密測(cè)角儀的研制[J].光電工程，1990，17（1）：35-48.

[2]邢曼男，白然，普小云.精確測(cè)量微量折射率的新方法[J].光學(xué)精密工程，2008，16（7）：1196-1202.