Измерение фокусных, вершинных фокусных и рабочих расстояний оптических систем
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
На тему:
ВлИзмерение фокусных, вершинных фокусных и рабочих расстояний оптических системВ»
МИНСК, 2008
В процессе изготовления ЭОС приборов осуВнществляется контроль их оптических характеристик. Остановимся на некоторых из них, в частности, на определении фокусных расВнстояний f', вершинных фокусных расстояний S'Fи рабочих расВнстояний А, т.е. расстояний от опорного торца оправы системы до фокальной плоскости.
Вершинные фокусные расстояния обычно контролируют при изготовлении отдельных и склеенных линз.
Фокусные расстояния проверяют в более сложных оптичеВнских системах, например, в объективах.
Рабочие расстояния измеряют в тех случаях, когда нужно знать расположение фокуса объектива относительно его опорВнного торца для последующего соединения испытуемой системы с какой-либо другой оптической или механической системой (рис.1).
В отличие от вершинных фокусных расстояний рабочее расВнстояние объектива можно изменять подрезкой опорного торца оправы или какого-либо промежуточного торца. Методику измеВнрения указанных параметров выбирают в зависимости от поставленной в каждом конкретном случае задачи.
При контроле изготовления некоторых оптических деталей необходимо сравнивать измеренные и расчетные вершинные фокусные расстояния.
В чертежах на оптические детали обычно приводятся велиВнчины фокусных расстояний и вершинных фокусных расстояний для параксиальных лучей, т. е. лучей, достаточно близких к опВнтической оси, для монохроматического света для линии натВнрия D (
= 589,3 нм). Поэтому при измерении целесообразно диафрагмировать контролируемые детали, пропуская сквозь них узкие центральные пучки монохроматического света, создаваемого, например, с помощью интерференционного фильтра. Это особенно существенно при измерении несклеенных деталей, у которых сферическая и хроматическая аберрации весьма велики.
При определении фокусного расстояния и рабочего расстояния оптических систем целесообразно за положение фокальной плоВнскости принимать плоскость, в которой получается наилучшее изображение, соответствующее наилучшему распределению энерВнгии в изображении точки.
Местоположение этой плоскости зависит от остаточных аберраВнций системы и от применяемых при измерениях источников света и приемников излучений.
Поэтому при подобных измерениях, если это не обусловлено специальными требованиями, желательно контролируемую сиВнстему не диафрагмировать, а источник света и приемник излучеВнний подбирать так, чтобы их спектральные характеристики были близки к тем, которые имеют место в реальных условиях эксплуатации, в противном случае необходимо учитывать соответствующую разницу в положениях фокальной плоскости.
Например, при переходе от рабочего расстояния объектива, измеренного визуальным или фотоэлектрическим методом к фотоВнграфическому рабочему расстоянию всегда учитывается величина смещения. Фокальной плоскости объектива.
Измерение вершинных фокусных расстояний
Измерение на оптической скамье. Вершинные фокусные расВнстояния положительных оптических деталей и систем измеряют на оптических скамьях типа ОСК-2, ОСК-3, а также на скамьях иностранных фирм.
При измерении вершинного фокусного расстояния микроскоп сначала фокусируют на заднюю поверхность контролируемой детали, а затем на изображение сетки, расположенной в фокальВнной плоскости объектива коллиматора.
В обоих положениях миВнкроскопа снимают отсчеты по шкале с помощью иониуса. Разность отсчетов определяет вершинное фокусное расстояние.
Сетку коллиматора освещают электрической лампой через молочное или матовое стекло и светофильтр.
Фокусировку па поверхность линзы осуществляют по имеВнющимся на ней мельчайшим царапинам. Поверхность линзы освещают источником света, располоВнженным сбоку.
Если царапины видны плохо, то на поверхность наносят неВнсколько пылинок ликоподия, мела или пудры; иногда на поверхность достаточно подышать и затем фокуВнсировать по пузырькам воды.
В большинстве случаев достаточВнно применять увеличение микроскоВнпа порядка 20тАФ30х. При измерении отрицательных систем либо объектив микроскопа заменяют длиннофокусВнной положительной линзой, либо весь микроскоп заменяют зрительной труВнбой с положительной насадкой.
В этом случае наблюдательный прибор после наведения на поверхность следует перемещать в сторону коллиматора, а не в противоположную сторону, как это имеет место при измерении положительных систем. Погрешность опреВнделения положительных вершинных фокусных расстояний, с превышает 1%, что вполне достаточно для сравнения полученных. результатов с расчетными данными.
Точность определения отриВнцательных вершинных фокусных расстояний вообще меньше точности положительных и уменьшается с увеличением абсолютных величин вершинных расстояний.
При испытании хорошо корригированной системы точность измерений можно значительно повысить, если ее не диафрагмировать. В этом случае она зависит от качества коррекции системы и её апертуры.
При достаточно совершенной контролируемой системе ошибку наведения можно определить в мкм:
где и - апертурный угол испытуемой системы.
Схема измерений вершинных фокусных расстояний, предложенная Ю.В. Коломийцовым.
В этих случаях необходимо, чтобы апертура наблюдательного микроскопа была не меньше апертуры контролируемой системы.
Измерение по методу Ю. В. Коломийцова. Схема установки, предложенная Ю.В. Коломпйцовым, предназначена для быстрого относительного контроля положительных и отрицательных верВншинных фокусных расстояний в условиях массового производства.
Пучок лучей, выходящих из щели S коллиматора, освещаемой лампой накаливания 1, проходит объектив коллиматора 2, дополВннительный объектив 3, контролируемую линзу 4и, отразившись от зеркала 6, сходится в фокальной плоскости объектива зрительВнной трубы 9.
Полученное таким образом изображение S' щели коллиматора с помощью двух клиньев 7 и 8разденется на две части, разведенные относительно друг друга по высоте (
и 
).
Дополнительный объектив 3 является сменным и рассчитыВнвается отдельно для каждого типа испытуемых линз с компенсаВнцией их сферических и хроматических аберраций.
Изображения щели и будут расположены точно Друг над другом в, если фокус линзы 4совпадает с фокусом дополнительного объектива.
В этом случае при отрицательной контролируемой линзе линза 4и дополнительный объектив 3 образуют галилеевскую оптическую систему (а) при положительной испытуемой линзе тАФ кеплеровскую систему (б).
Если фокусы линзы 4 и объектива 3не совпадут, то изображения щели разойдутся (рис. 4, г), тогда их можно совмеВнстить перемещением дополнительного объектива 3.
Объектив 3перемещается с помощью микрометренного мехаВннизма, по которому это смещение отсчитывают.
Вершинные фокусные расстояния измеряют следующим обраВнзом. В прибор, юстированный по эталонной линзе, вставляют контролируемую, линзу указанным выше способом, вновь совмеВнщаются изображения щели; полученное при этом смещение дополВннительного объектива 3, измеренное по шкале микрометренного механизма, равно величине отступления вершинного фокусного расстояния контролируемой линзы от эталонной.
Точность измерения на приборе весьма велика. Так, по экспеВнриментальным данным, максимальная погрешность при вершинВнном фокусном отрезке линзы, равном 25 мм, составила 0,04%.
Измерение фокусных расстояний
Метод увеличения на коллиматоре.
Визуальное определение фокусных расстоянийвыполняют по схеме. В фокальной плоскости коллиматорного объектива 2расположена сетка 1с несколькими вертикальными штрихами. Ее изображение получается в фокальной плоскости испытуемого объектива 3. Это изображение рассматривают посредством микроВнскопа и измеряют с помощью окуляр-микрометра.
,
отсюда 
(1)
Обозначив 
=С = const, получим 
Если фокусное расстояние коллиматорного объектива неизВнвестно, то можно сразу определить постоянную С.
Для этого необходимо измерить с помощью теодолита угол, под которым видно расстояние между штрихами сетки со стороны объектива коллиматора.
ФокусВнное расстояние объектива коллиматора равно 750 мм. В его фокальной плоскости расположена сетка с шестью параллельными штриВнхами; расстояния, между ними от 6 до 60 мм. Измерительный миВнкроскоп установки имеет два сменных объектива с увеличением 3 и 6х и окуляр-микрометр с увеличением 10х.
В зависимости от величины фокусного расстояния испытуемой системы измерения выполняют либо окуляр-микрометром, если в поле зрения микроВнскопа видна сразу симметричная пара штрихов коллиматорной сетки, либо перемещением всего микроскопа.
Для этой цели микроскоп устанавливают на специальной каретке, снабженной микро-метренным винтом.
Первый способ применяется для измерения объективов с фоВнкусными расстояниями до 40 мм, второй тАФ для объективов с большими фокусными расстояниями.
Суммарная погрешность измерения 
обычно составляет 0,2тАФ0,3%. измеряемой величины.
Кроме указанных ошибок на точность измерений может влиять неточность установки сетки в фокальной плоскости объектива коллиматора, однако эта ошибка уменьшается пропорционально отношению квадратов фокусных расстояний контролируемого и коллиматорного объективов.
Таким образом, относительная погрешность при измерении фокусного расстояния составит 0,3тАФ0,6%.
Фотографическое определение фокусных расстояний отличается от визуального только тем, что изображение сетки коллиматора, полученное в фокальной плоскости испытуемого объектива, восВнпринимается фоточувствительным слоем, а затем измеряется па компараторе.
Таким методом обычно определяют фокусные расстояния фотоВнграфических объективов, причем фокусное расстояние измеряют одновременно с определением фотографической разрешающей силы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. Машиностроение, 2006. - 304 с.
2. Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов. Высшая школа, 2005. - 325с.
3. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. Машиностроение, 2004. - 333 с.
Вместе с этим смотрят:
GPS-навигация
GPS-прийомник авиационный
IP-телефония и видеосвязь
IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи
Unix-подобные системы