高精度光学材料折射率测试仪光机结构设计

摘 要：为满足高精度测量光学材料折射率的要求，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测试设备。文中介绍了该设备的光机结构设计方案，并对关键部件精密轴系和微调机构进行了分析和计算。结果表明：光机结构设计方案可满足高精度光学材料折射率的测量精度要求。

关键词：光学材料 折射率 光机结构

中图分类号：TH751 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0051-01

随着精密光学仪器的快速发展，对光学材料中折射率的测试精度要求越来越高，光学材料折射率的数据准确性对保证光学系统成像质量起着至关重要的作用。一些新型光学材料的开发也对光学材料折射率提出一定的要求。

很多人对光学材料折射率的测量提出了多种有价值的测量方法[1-2]，主要有测角法和干涉测量法。该文介绍了基于测角法中使用最小偏向角法测量光学材料折射率的测试仪中的光机结构设计。

1 光机结构方案

高精度光学玻璃折射率测试仪主要由底座、测角系统、传动机构和微调机构、自准光管、平行光管、载物台和光源箱组成。测角系统主要有增量编码器和上下精密轴系。自准光管、平行光管、光源箱和测角系统固定在一平台上，平台下面有三个地脚用于仪器调平。平行光管和自准望远镜可以旋转和俯仰调节，用于对准平行光管和自准望远镜的光轴，同时用于调整光轴垂直于码盘测角系统的转轴。载物台有点槽面调平机构。光源箱配置有Hg、H、Na、Cs、He和Cd共六种灯，各种灯波长见表1。

1.1 测角系统

下层轴系精度较高和码盘相连，同自准光管固定在一起；上层轴系和载物台相连。下层轴系可采用平面轴系或背对背精密轴承。平面轴系精度较高但体积较大，适合于折射率精度要求较高的测量仪器，通常折射率测量精度要求高于3×10-6时需采用平面轴系，轴系精度要达到0.5”；背对背精密轴承精度略低但体积小，适合于折射率精度要求稍低的测量仪器，折射率测量精度要在1×10-5左右时可以采用标准轴承，轴系精度要达到2”。上层轴系可采用密珠轴系或标准轴承，轴系精度要达到5”。

1.2 传动机构和微调机构

测角系统调节分为粗精两种方式，载物台大范围粗调时，用手推动固定在上层轴上的手轮来完成，精调时由螺旋微调机构来完成。它的最小步距由下式确定：

式中：α为微调最小步距；S为螺距；R为回转半径。

若R=261 mm，S=0.5 mm，则α=1"。

自准光管大范围调整时，用手推动自准望远镜来进行大致对准，然后可通过手轮手动或步进电机驱动蜗轮蜗杆系统进行粗调，最终可通过微动机构手调或步进电机驱动自动对准。

当用蜗轮蜗杆系统进行粗调时，最小进给量可由下式确定：

式中：Z为蜗轮齿数；θ为蜗杆的旋转角度；φ为粗调进给量。

熟练的操作者，手感转动角度可按1°计算，蜗轮模数为0.5，齿数Z=480。则最小进给量为7.5″。

为了提高折射率的测量精度，光靠蜗杆进给远远不能满足要求，因此，这里又利用杠杆原理设有第二级微调其结构。最小精调进给量由下式计算：

式中：R为摆杆长度；S为微调螺杆螺距；b为放大杆前端长度；B为放大杆后端长度；φ为精调进给量。

取R=217 mm，S=0.5 mm，b=16 mm，B=87 mm，可计算φ=0.25″。当使用精调时，必须使蜗轮蜗杆脱开，否则无法进行微调，甚至会损坏微调机构。蜗轮蜗杆脱开方法是，向外搬动蜗杆，搬到一定程度，蜗杆支撑轴还会自动限位锁死，蜗轮会自由旋转。蜗杆脱开后，搬动微调锁紧旋扭，使微调摆杆与下转台锁紧，即可进行微调。?

1.3 平行光管和自准光管

平行光管是由聚光照明系统，可调狭缝，离轴抛物面反射镜组成。聚光照明系统中的反射镜可俯仰和旋转两维调整，聚光镜可前后、高低、左右调整。狭缝前有光栏，可得到不同狭缝高度，狭缝可旋转调整，也可前后调焦。离轴抛物面反射镜只能做旋转调整，其它靠加工保证。

自准望远镜是由离轴抛物面反射镜、反射镜、半透半反镜、狭缝及激光器、切换反射镜、PSD、目镜等组成。同平行光管一样，离轴抛物面反射镜只做旋转调整，反射镜可俯仰和旋转调整，半透半反镜可做俯仰和旋转调整，狭缝可旋转调整。PSD可左右调整，分划板和目镜可前后调焦。

2 结论

该文介绍了高精度光学材料折射率测试仪光机结构设计方案，针对主要部件精密轴系、传动和粗精调机构进行了分析计算，通过实际应用表明，结构方案可满足高精度光学材料折射率测试仪的指标要求。

参考文献

[1]邓文和.JC-1型精密测角仪的研制[J].光电工程，1990，17（1）：35-48.

[2]邢曼男，白然，普小云.精确测量微量折射率的新方法[J].光学精密工程，2008，16（7）：1196-1202.