高精度光學材料折射率測試儀光機結構設計

孟慶華

摘 要：為滿足高精度測量光學材料折射率的要求，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試設備。文中介紹了該設備的光機結構設計方案，并對關鍵部件精密軸系和微調機構進行了分析和計算。結果表明：光機結構設計方案可滿足高精度光學材料折射率的測量精度要求。

關鍵詞：光學材料 折射率 光機結構

中圖分類號：TH751 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0051-01

隨著精密光學儀器的快速發展，對光學材料中折射率的測試精度要求越來越高，光學材料折射率的數據準確性對保證光學系統成像質量起著至關重要的作用。一些新型光學材料的開發也對光學材料折射率提出一定的要求。

很多人對光學材料折射率的測量提出了多種有價值的測量方法[1-2]，主要有測角法和干涉測量法。該文介紹了基于測角法中使用最小偏向角法測量光學材料折射率的測試儀中的光機結構設計。

1 光機結構方案

高精度光學玻璃折射率測試儀主要由底座、測角系統、傳動機構和微調機構、自準光管、平行光管、載物臺和光源箱組成。測角系統主要有增量編碼器和上下精密軸系。自準光管、平行光管、光源箱和測角系統固定在一平臺上，平臺下面有三個地腳用于儀器調平。平行光管和自準望遠鏡可以旋轉和俯仰調節，用于對準平行光管和自準望遠鏡的光軸，同時用于調整光軸垂直于碼盤測角系統的轉軸。載物臺有點槽面調平機構。光源箱配置有Hg、H、Na、Cs、He和Cd共六種燈，各種燈波長見表1。

1.1 測角系統

下層軸系精度較高和碼盤相連，同自準光管固定在一起；上層軸系和載物臺相連。下層軸系可采用平面軸系或背對背精密軸承。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量儀器，通常折射率測量精度要求高于3×10-6時需采用平面軸系，軸系精度要達到0.5”；背對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量儀器，折射率測量精度要在1×10-5左右時可以采用標準軸承，軸系精度要達到2”。上層軸系可采用密珠軸系或標準軸承，軸系精度要達到5”。

1.2 傳動機構和微調機構

測角系統調節分為粗精兩種方式，載物臺大范圍粗調時，用手推動固定在上層軸上的手輪來完成，精調時由螺旋微調機構來完成。它的最小步距由下式確定：

式中：α為微調最小步距；S為螺距；R為回轉半徑。

若R=261 mm，S=0.5 mm，則α=1"。

自準光管大范圍調整時，用手推動自準望遠鏡來進行大致對準，然后可通過手輪手動或步進電機驅動蝸輪蝸桿系統進行粗調，最終可通過微動機構手調或步進電機驅動自動對準。

當用蝸輪蝸桿系統進行粗調時，最小進給量可由下式確定：

式中：Z為蝸輪齒數；θ為蝸桿的旋轉角度；φ為粗調進給量。

熟練的操作者，手感轉動角度可按1°計算，蝸輪模數為0.5，齒數Z=480。則最小進給量為7.5″。

為了提高折射率的測量精度，光靠蝸桿進給遠遠不能滿足要求，因此，這里又利用杠桿原理設有第二級微調其結構。最小精調進給量由下式計算：

式中：R為擺桿長度；S為微調螺桿螺距；b為放大桿前端長度；B為放大桿后端長度；φ為精調進給量。

取R=217 mm，S=0.5 mm，b=16 mm，B=87 mm，可計算φ=0.25″。當使用精調時，必須使蝸輪蝸桿脫開，否則無法進行微調，甚至會損壞微調機構。蝸輪蝸桿脫開方法是，向外搬動蝸桿，搬到一定程度，蝸桿支撐軸還會自動限位鎖死，蝸輪會自由旋轉。蝸桿脫開后，搬動微調鎖緊旋扭，使微調擺桿與下轉臺鎖緊，即可進行微調。?

1.3 平行光管和自準光管

平行光管是由聚光照明系統，可調狹縫，離軸拋物面反射鏡組成。聚光照明系統中的反射鏡可俯仰和旋轉兩維調整，聚光鏡可前后、高低、左右調整。狹縫前有光欄，可得到不同狹縫高度，狹縫可旋轉調整，也可前后調焦。離軸拋物面反射鏡只能做旋轉調整，其它靠加工保證。

自準望遠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調整，反射鏡可俯仰和旋轉調整，半透半反鏡可做俯仰和旋轉調整，狹縫可旋轉調整。PSD可左右調整，分劃板和目鏡可前后調焦。

2 結論

該文介紹了高精度光學材料折射率測試儀光機結構設計方案，針對主要部件精密軸系、傳動和粗精調機構進行了分析計算，通過實際應用表明，結構方案可滿足高精度光學材料折射率測試儀的指標要求。

參考文獻

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

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