第十二章 角锥棱镜 第十二章 角锥棱镜
角锥棱镜是一种作回射用的玻璃元件，它用三个90°角回射入射光束。这些玻璃角的误差必须在几秒精度以内，但是入射面可以有5″以上的误差而对角锥棱镜的性能无明显的影响。
早在第二次世界大战期间就应用这种棱镜寻找秘密的飞机场。飞行员只要靠近他的前额装上一只闪光灯而不需要从地面上射击出光线，位于飞机场上的棱镜按原路返回光束，因而发现飞机场。在阿波罗（Apollo）宇宙航行中，角锥棱镜有着重要的应用。月球表面上放置50只以上角锥棱镜的阵列，然后天文学家将高功率的激光束射向棱镜阵列，再用望远镜接收返射回来的光束。激光束经过由地球到月球的两倍行程，大约需要时间2.8s，由此可以精确地计算出地球到月球的距离。
制造角锥棱镜有几种方法。方法A是从大立方体或大长方体上锯下一只角得到角锥棱镜。一块玻璃立方体可以锯下八只角锥棱镜，而一块长方体可以锯下四只。简略地说，用下述方法 制造玻璃块：三只精密的90°角组成一只角锥是立方体的参考角，用由激光照明的菲索干涉仪检验，使玻璃块的其它表面与参考角的三个面彼此平行。
细磨时间4*放大率的外自准直法测量立方体的90°参考角锥，抛光时用6*放大率 的内自锥直方法测量，因而可以提高检验角度的精度。但是内自准直法的检验比较麻烦，因为玻璃毛坯的全部表面必须作粗抛光。但实际上也有好处，当抛光预先磨好的表面时，可以防止由于泰曼效应而使已抛光过的表面产生 曲。内自准直测量法并不需要将玻璃块的透射面完全抛光（大约25％已经足够）。锥体棱镜入射面的面形质量为两面三刀个光圈。如果自准直仪的物镜与其产生干涉，则可转动一下各个面。
方法B称为复制法。它是用干涉计量法来控制角锥棱镜的角度的。为此，要将标准立方体或直角棱镜与一个抛光面光胶。因为用道威干涉计量法来控制这些标准元件的角度，所以它的误差小于1″。现有的标准零件的数量决定了可以加工的棱镜总数，也就是一次只能加工一只棱镜。用石膏盘加工压型棱镜毛坯的一个面以后，往往就用光胶法加工。将标准块光胶到大的玻璃毛坯上，并用干涉检验法来控制角度，这在光学上是可行的。然而这是不实用的，因为用小标准棱镜修正大棱镜表面的角度时，用手工抛光是困难的。
制造角锥棱镜所需要的数据如图12.1所示。这
些数据是根据通光孔径的直径为1mm而得出的。 图12.1制造角锥棱镜的数据
1． 初始制造阶段
玻璃块的边长至少为要求孔径的2.8倍。例如，孔径为3.81cm，则玻璃立方边长11cm。 锯切时要加一定的玻璃余量。要从玻璃立方体锯下八只棱镜，预先应考虑好尺寸。同样也应考虑好从长方形玻璃块上切下4只棱镜的布局。
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第十二章 角锥棱镜
用于制造锥体棱镜的BK-7玻璃有几种型式：立方体、长方体和圆平板。我们曾经看到过边长为35cm的立方体玻璃块，由于要作均匀性检验，将立方体玻璃的各个面抛光。这样大的玻璃块要在环形抛光机上抛光，有时使环形抛光机的直径大到1m。
操作者用常规的加工过程在旋转的铸铁平模上用手工研磨小的毛坯。选定一个有三个90°角有角锥，用250号砂粗磨直到用精密角尺的光隙法检验时合格为止。下一步是用布朗蔡德型铣磨机铣出与锥角面彼此平行的面，并用250号砂磨
去砂眼，最后得到的毛坯如图12.2所示。 图12.2 用以制作8只锥体棱镜的
立方体玻璃块
用斯柯雷里（Schrelein）平板并涂上匹配折射率油来检验毛坯的均匀性。检验时为了使光线透过玻璃毛坯，必须在玻璃毛坯的两个相对表面上贴上平板，并在三个方向检验玻璃毛坯（见第五章）。
在已选定的锥角上，将其一个表面作为参考表面是行之有效的方法。用各档细砂细磨三个90°角的参考基准面，用稍凹的陶瓷平模来完成最后一道95号砂的细磨，使之磨出凹的表面置于牢固蜡胶在镀铝光学平台上的三个小球上。用外自准直法按照选定的角锥的参考面检验各相邻的90°角。注意将小的镀铝平行平板湿贴到细磨表面上，以便用外自准直法检验90°角时磨沙面也可以反射光线（见图12.3）。在自准直仪目镜中观察到的水平象的分离是90°角的误差，它可以是钝角（正）或锐角（负）。如果存在误差，应该确定形成90°角的两个表面间的角度方向。这是易于确定的，只要触动玻璃零件的某一部位，使之在自准地目镜中观察到水平象趋向重合。用软笔或铅笔在棱镜的这个部位作上记号，然后翻转到90°角的第二个面。在作90°组合角检验时，棱镜子得到两个分离的记号点。细磨时在棱镜上的某点施加压力可以使水平方向分离的象趋向于重合（当修磨组合角时）。角度存在三种状态：正角.负角或无误差角，最后施加压力的点是两面三刀人分离点的中间。总之，细磨立方体时磨到用外自准直法检验时三个90°角的象重叠（见图12.3）为止。也即选定锥角的参考面对每个90°角进行检验。初学者每个面应标以数字，表面1用以检验表
面2和表面3之间的90°角，表面2用以检验表 图12.3 细磨立方体时，6个90°侧边角 面1和表面3之间的90°角；表面3用以 的外自准直测量法 检验表面1和表面2之间的90°角。
下一步是研磨其余的三个面并使之彼此平行，可以用如图12.3所示的外自准直测量法。有些操作者喜欢稍微改变一下这种测量装置，即把平行平板放在参考锥角的顶面上，而锥角的
底面则直接放在三个预先蜡胶的球上，使自准直仪直接接收到由镀铝的平行平板所反射的象。旋转玻璃块，直到垂直的象重叠为止，这时两面三刀个水平象仍表示玻璃的误差。由自准直仪目镜决定楔角方向。如果由最佳焦点向玻璃块离焦时，分离的象靠近，则玻璃角误差为正。反之，误差为负。因为该装置只有2×放大率，而外自准直法是4×放大率，故后者更为优越（见图12.3）。
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第十二章 角锥棱镜
以大约25％的抛光度粗抛光6个面使面形质量控制到个光圈。将。光学零件表面进行粗抛光有两面三刀个理由：第一，防止泰曼效应（抛光已抛光表面反面的细磨 ，已抛光表面将发生挠，曲变形）。第二用内自准测量 法可以6×放大率来检验90°角。粗抛光后，对选定的90°锥角的一个表面进行完全抛光并达到1/8光圈及表面无缺陷。
2． 选定的90°锥角的抛光
一种新的内自准直测法如图12.4所示。注意在示意图中已经将蜡胶的球去掉，一块毛毡放在准直仪基座上。平行光束以45°和60°射向参考面与第二面构成90°角。完工后的参考面放在软的毛毡垫上。三种型式的影象图样是重叠的（精确的90°角），若水平象是分离的，则表示角度误差是钝正角或锐正角，在第7.4节里更全面地讨论了这些图样。如果自准直仪目镜由最佳焦点离焦，当两个水平象趋于分离，则角度误差为正，反之，角度误差为负。这与规则10和规则20（7.2节）相同。在此讨论平行光的内反射象与透射象。
许多操作者第一次制作棱镜时，大多不懂得在修正角度时应如何使用压力。图12.5表示一块
有角度误差的立方体。其中一块立方体的角度误 图12.4 抛光时修正立方体90°侧面角 差为正，另一块为负。图上的虚线表示楔角的情 的内自准直测量法，一个锥角必须为参考 况，抛光时修正角度误差的压力点位于锐角处。 角，参考锥角相邻的三个90°角制成理 想的角度（见附录4）
只能在加工第二面时来修正90°角，决不可以修磨已完工的第一面（可在表面上贴一片胶带纸以防止误加工）。如果水平象重叠，则90°角是精确的。当抛光面优于1/8光圈且无道子及砂眼时，则认为该面已加工完毕。可以使用现代的电子自准直仪检验，但检验空气补角时必须
仔细地操作。 图12.5 用正确的压力点修正角度误差
用同样的方法抛光第三面并用内自准直装置检验其与参考面(第一面)组成的第二个90°角(见图12.6),并在已加工完毕的第一个90°角的两个表面上贴一片胶带纸。第三面几乎完工而且90°角已达到要求时，则在参考面的对面贴上胶带纸，再用自准直法测量90°角。当参考面在下时，则可以观察到另一种形式的角度误差。因为这是组合角度，可以校正第二个平面的矢量90°角。请复习第7.4节。
3． 立方体其余面加工为平行面
现在的立方体已是一个具有三个90°角的精密角锥。抛光其余三个表面，使其每一个面与参考立方角锥面彼此平行，并用斐索干涉仪检验。对于大的玻璃立方体，斐索干涉仪必须具有低功率（0.3mw ）激光光源及投影观察条纹的毛玻璃屏。而水银灯（198同位素）只能检验厚度为2.5cm的玻璃。立方体的放置如图12。6所示。注意：当椭圆 和圆条纹定位在中心时，则表明楔度为零。任何等间隔的平行条纹表示平行差。在2.5cm表面上有多于3条条纹的立方体就不能用抛光修正，最好在正确的方向上用95号砂细磨一下。如何确定正确的方向
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第十二章 角锥棱镜
呢？用一根在热自来水中加热过的铜棒触及立方体（见图12.6）。注意条纹凸峰是指向较簿的一端。当然，除去楔角的压力点应加在较厚一端。重新研磨和粗抛光立方体，就能很快制成精密的平行平面。完工后的立方体表面必须具有1/8光圈，圆条纹的中心应居中。
如果所有表面与选定的参考锥角面平行，则立方体可以锯切了。每面的加工过程与上述相同。因为泰曼效应是潜在着的问题，当一个表面完工时，它可能导致角度的变化故必须重新检验90°角。
4． 方法A：长方体的制作
长方形玻璃块可以按较小尺寸的一次制造四个角锥棱镜。一般的加工过程与上述相同。为了便于长方形玻璃毛坯的加工，最好在每端面附近用沥青胶胶上玻璃导块。第一道250号砂研磨后，应胶上四只玻璃导块（见图12.7）。胶上玻璃导块以前请参看附录3。注意，应使玻璃导块的倒边较宽，而玻璃块的倒边较窄。当然，研磨时若倒边被磨掉后，可以用显微镜载玻片和145号在两个玻璃表面间重新 倒出倒角。
图
12.6 检验立方体6个面平行度的斐索干涉仪
（见附录19）
5． 从玻璃块上切割棱镜
因为完工的玻璃块已经花费了许多时间和精力，所以必须仔细锯切。最简单的方法是在
图12.7 为了便于制作长方体
玻璃块上胶有玻璃导块 图12.8 从完工的立方体上锯切4块 立方角锥的排样图
加工和锯切时用清洁的防水胶带纸保护抛光表面。预先计划好的排样图，如图12.8所示。由于每一块玻璃毛坯有特殊的形状，应该用划线笔在胶带纸上排好样图，不要只图节省玻璃，实际上劳动力比玻璃更为昂贵。
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第十二章 角锥棱镜
首先交叉切割玻璃块，将它分割成4块。锯切大块玻璃毛坯时，应该注意金刚石切割轮片的夹紧垫圈，以防锯切时受到垫圈的限制。下一步锯切每个立方角锥的截面，切去有危害的尖锐三面角，同时也可节省磨边的时间。把割下的玻璃块保存起来用来加工小棱镜，其已抛光表面可以作为加工时的参考面。
6． 加工入射面
棱镜的入射面不是45°,矢量角大约为54°15″，不需要知道其精确值，因为该值可由外自准直测量最后控制确定。为了磨成圆形的入射面（见图12.9）需要一只特殊夹具。它是由两个表面构成90°凹槽制成圆的
铜夹具。在夹具的凹槽里可以装入角锥的三 图12.9制造立方角锥入射面的一种特殊 个90°角。注意夹具上的检验台阶，铣磨过 设计的夹具 程中台阶是用于控制棱镜的高度的。
用玻璃导块沥青胶结法将棱镜固定在夹具里。简单地说：将夹具与棱镜同时加热到80℃,当用沥青胶将夹具的每个表面之间垫上透镜纸。应该注意既不能有水，也不能有呼出的气而凝聚的水汽与热的棱镜接触，以免导致棱镜的不均匀加热。
用磨边机将棱镜磨边到比名义公差大2mm以内，然后铣去多余的玻璃，形成入瞳（入射）面。留少量的玻璃余量，大约比名义 公差值大0.05mm，作为研磨及抛光余量。然后再将棱镜磨到最后的名义公差值。为什么开始不把棱镜磨边到最后公差的原因是因为铣磨底面时可能产生一些碎裂。最后用一只小的球模及145号砂将棱镜的入射面倒边。
将夹持着棱镜的夹具在控温的电炉上再加热到80°C，从夹具中拆下零件，放在毛巾纸上冷却，再将各个零件放在有4个或更多个空格的盒子里。 此时不必再清洁冷却下来的棱镜，如果需要的话则应先均匀地倒角。加工时沥青胶和透镜纸有助于保护抛光表面。均匀地倒边能提高棱镜的外观质量，所以倒边必须仔细。用二甲苯除去透镜纸和沥青胶，再用热的、淡的洗涤剂溶液清洗棱镜，并且检
验所有的倒边是否具有均匀的宽度。如果不均匀， 图12.10 用来倒出棱镜90°棱边的 则生新研磨，并用145号金刚砂细磨尖形角锥顶部。 一种特殊设计的夹具 倒角的夹具如图12.10所示.
7. 入射面的加工
自准直仪如图12.11所示(可参看第6.6节)。
图6.9a所示是棱镜入射置于蜡胶球上,准直仪的双线或十字线对准棱镜中一个反射面的反射象。旋转零件的每个面，找出高和低的区域并读数,读数间的差别称为零点的
上、下漂移。细磨入射面，直到三个反射表面 图12.11 由3个90°角形成矢量角的外自准 的读数相等为止。由于表面在加工过程中可能 直测量，加工到用目镜观察时自准直仪的双线 引起亮道子，甚至划痕，为此可将开有小孔的 读数或水平十字线的读数具有相同的值为止 胶带纸贴切在棱镜上，以保护表面化。当棱镜
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第十二章 角锥棱镜
磨到名义公差值时，把表面抛到优于1/8光圈的光学面形质量，并且无砂眼或道子。抛光时用如图12.11所示的自准直棱镜比较法检验，三个面的象应不发生漂移。为了检验角锥棱镜的三个角度，已经制订了几种方法。霍布金斯（Honkins）介绍了用科斯特（Koester）棱镜的光学装置。塞斯（Sayce）博士和布希（Burch）在1959年第十一次干涉计量学术讨论会的刊物上（由伦敦英国出版局发行），介绍了一种类似于干涉计量的检验方法。在本质上这两种光学系统上相同的，我已经把霍布金斯的方法加以改变，以适合操作使用的需要。泰曼的方法已流行许多年，在1952年希尔格和瓦兹公司发行的≤棱镜和透镜制造≥一书中叙述过(伦敦第二版P447-448)。图12.12说明了这两
种光学系统。 图12.12用科斯特棱镜作干涉检验的
光学装置，测量90°角是否在容限以内
图12.13说明泰曼法的另一种装置。棱镜放在一个三维可调的夹具里，可以旋转及作水平和垂直倾斜调节。带有圆入射面的棱镜装在夹具中，入射面朝向分光板平行光束。如果干涉图为等
间隔的直条纹，则90°角已修正得很好。如果条纹不直，且呈数线交叉图形，则90°角角有误差。
修正三个90°角的常规方
法是复杂的，用部分镀膜的平行 图12.13 泰曼-格林或亨德里克斯干涉仪检验棱镜 平板代替平板（泰曼方法）， 的三个90°角 则将获得高对比度的条纹。在扇
形区域内的一半调出零条纹，以90°角的第二平面旋转棱镜,然后观察角度误差条纹.为了决定90°角的正负,将平行平板向后稍稍移动,以增长其光程。如果条纹移向中心,则角度为钝角或大于90°;反之,则角度 为锐角或小于90°(见图12.13)。记住第一表面为参考面，因而必须修磨第二表面。
参考面标记A，在抛光盘上抛修面B，以修正角度误差。抛光时在预先确定的位置上加压。总在负的角度误差处加压，决不会在正的角度误差处加压（见图12.5）。下一步修正90°角组合角的C面。因为这个90°角有两个平面，为了抛光修正任意的角度误差，应该确定C面中的矢量压力点，决不能再修磨B面，因为它与参考面A为90°角。如果正确地按步骤执行，则90°角的误差将在0.1″以内(见图12.14)。
图12.14 两幅观察到的干 8． 复制方法 涉图，一幅表示理想
复制方法是用小的、标准的直角规和立方块与零件的参考面光胶（见第九章）。简单地
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第十二章 角锥棱镜
说，该方法是利用光学标准零件与立方角锥棱镜预先加工好的参考面光胶。参考面实际上是棱镜3个90°角的一个面，并且在大批量制作零件时，通常用上石膏盘加工这处面。再研磨与抛光第二面，复制90°角，并用干涉计量法控制角度误差，从而完成立方体角锥一个90°面的加工。加工棱镜的第三个90°角时，的立体角锥，另一幅表示带有90°角误差的立体角锥需要在参考面新的位置上光有标准零件。
帝并不太难，通过平面干涉仪的观察和干涉定位，将标准零件旋转到新的位置。然后用类似于第二面的加工方法研磨与抛光第三表面。用干涉仪检验两个平面，以控制90°组合角。
显然在制造过程中，用标准零件与大的玻璃立方体光胶，可以控制90°参考角锥的角度。用斐索干涉仪使其它光学表面与对应面相互平行。该方法的缺点是需要用激光照明的干涉仪。用低功率激光器可以满足几厘米相干长度的要求。
9． 结论
在文献中很难找到立方角锥棱镜制作的具体步骤。穆翟、普泰贝尔（Puntan Laker）和其他学者介绍的几种测试方法是可以采用的，但需要小心谨慎。如果用激光照明，则表明必须加工到高精度（1/16光圈）。请参阅有关这种检测方法的参考文献。
习题：
1.说明立方角锥的入射面与出射面的加工过程。
2.试说明为什么在制造过程中必须将3个90°角中的一个面作为参考角面。 3.任何反射角中存在怎样的三种角度状态？ 4.不倒边的立方角锥棱镜为什么如此昂贵？ 5.立方角锥棱镜应用于何处？
6.角锥棱镜的制造过程中能否采用标准直角棱镜？说明其制造过程。
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nd
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