航天员头盔面窗棱镜度的测量

　　0　引言

　　表征航天员头盔面窗质量的光学性能参数有:视场角、朦胧度、角偏差、棱镜度[1]、光畸变度、光密度、中性度、色度、光谱透射比、光谱反射比和紫外透射比等11项。其中第一位重要的是棱镜度[2],因为据统计,乘员因视觉走形而导致误操作的大部分原因是由它引起的。故而美国NASA将头盔面窗的棱镜度放在一系列光学参数测量的首位。

　　1　测量原理

　　1.1　棱镜度的定义

　　光束垂直通过平面镜片某处后在传播方向上产生的角偏差的正切乘以100所得的值。该定义隐含着棱镜度的四个要素:

　　(1)棱镜度是由测量点的镜片处存在缺陷引起的,而且这个缺陷只能是由于该处镜片前后表面不平行而形成的光楔所导致的,它不能是由镜片的其它缺陷所导致。

　　(2)由于镜片某处的上述缺陷所导致的被测光束在传播方向上的角偏差是有方向性的,所以棱镜度是一个矢量。

　　(3)显见棱镜度是一个无量纲的物理量,但为形象起见,习惯上表示为,符号为“Δ”。

　　(4)“垂直”喻义着当被测镜片是曲面,且它是由两个分离的焦点以两组正交的曲率半径不同的母线扫描而成时,被测光束必须同时通过这两个焦点,或者说与此点曲面的公法线重合,才能保证测量的单值性。

　　1.2　测量公式

　　为简单起见,让测量光束垂直入射楔角为φ,折射率为n的光楔如图1所示,则根据折射定律:

　　本文均指傍轴光路,且φ为小角度,将式(1)简化成:

　　式中,β-φ即指定义中的角偏差。容易证明,当入射光束不垂直入射如图光楔时,此式同样成立。根据棱镜度定义,有

　　实践中往往把这个角偏差转化成对正切的两条直角边的测量,如图2所示。

　　根据光线通过薄透镜光心时方向不变的原理,则式(4)转化成:

　　式中,L为头盔面窗被测面圆至会聚透镜第一主平面的距离;f′为会聚透镜的焦距,CCD面阵探测器的光敏面应位于其焦平面上;D为被测光束的角偏差在会聚透镜第一主平面上引起的距离偏差;d为被测光束的角偏差在CCD面阵探测器光敏面上引起的距离偏差。

　　设:L和f′为常数,由式(6)把被测量D通过会聚透镜转化成被测量d,则问题简化成对d的精确测量。

　　2　测量要点

　　2.1　测量光束

　　2.1.1　对测量光束的要求

　　(1)测量光束的位置不能随时间漂移;

　　(2)通过光阑时不产生明显的衍射;

　　(3)光束横截面周围的光晕小;

　　(4)光束功率不随时间变化;