Измерение фокусных, вершинных фокусных и рабочих расстояний оптических систем

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

На тему:

«Измерение фокусных, вершинных фокусных и рабочих расстояний оптических систем»

МИНСК, 2008

В процессе изготовления ЭОС приборов осу-ществляется контроль их оптических характеристик. Остановимся на некоторых из них, в частности, на определении фокусных рас-стояний f', вершинных фокусных расстояний S'_F и рабочих рас-стояний 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 оптиче-ских системах, например, в объективах.

Рабочие расстояния измеряют в тех случаях, когда нужно знать расположение фокуса объектива относительно его опор-ного торца для последующего соединения испытуемой системы с какой-либо другой оптической или механической системой (рис.1).

В отличие от вершинных фокусных расстояний рабочее рас-стояние объектива можно изменять подрезкой опорного торца оправы или какого-либо промежуточного торца. Методику изме-рения 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 вели-чины фокусных расстояний и вершинных фокусных расстояний для параксиальных лучей, т. е. лучей, достаточно близких к оп-тической оси, для монохроматического света для линии нат-рия 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 пло-скости принимать плоскость, в которой получается наилучшее изображение, соответствующее наилучшему распределению энер-гии в изображении точки.

Местоположение этой плоскости зависит от остаточных аберра-ций системы и от применяемых при измерениях источников света и приемников излучений.

Поэтому при подобных измерениях, если это не обусловлено специальными требованиями, желательно контролируемую си-стему не диафрагмировать, а источник света и приемник излуче-ний 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 фото-графическому рабочему расстоянию всегда учитывается величина смещения. Фокальной плоскости объектива.

Измерение вершинных фокусных расстояний

Измерение на оптической скамье. Вершинные фокусные рас-стояния 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 фокаль-ной плоскости объектива коллиматора.

В обоих положениях ми-кроскопа 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 име-ющимся на ней мельчайшим царапинам. Поверхность линзы освещают источником света, располо-женным сбоку.

Если царапины видны плохо, то на поверхность наносят не-сколько пылинок ликоподия, мела или пудры; иногда на поверхность достаточно подышать и затем фоку-сировать по пузырькам воды.

В большинстве случаев достаточ-но применять увеличение микроско-па порядка 20—30^х. При измерении отрицательных систем либо объектив микроскопа заменяют длиннофокус-ной положительной линзой, либо весь микроскоп заменяют зрительной тру-бой 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 опре-деления положительных вершинных фокусных расстояний, с превышает 1%, что вполне достаточно для сравнения полученных. результатов с расчетными данными.

Точность определения отри-цательных 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 вер-шинных фокусных расстояний в условиях массового производства.

Пучок лучей, выходящих из щели S коллиматора, освещаемой лампой накаливания 1, проходит объектив коллиматора 2, допол-нительный объектив 3, контролируемую линзу 4 и, отразившись от зеркала 6, сходится в фокальной плоскости объектива зритель-ной трубы 9.

Полученное таким образом изображение S' щели коллиматора с помощью двух клиньев 7 и 8 разденется на две части, разведенные относительно друг друга по высоте (и).

Дополнительный объектив 3 является сменным и рассчиты-вается отдельно для каждого типа испытуемых линз с компенса-цией их сферических и хроматических аберраций.

Изображения щели и будут расположены точно Друг над другом в, если фокус линзы 4 совпадает с фокусом дополнительного объектива.

В этом случае при отрицательной контролируемой линзе линза 4 и дополнительный объектив 3 образуют галилеевскую оптическую систему (а) при положительной испытуемой линзе — кеплеровскую систему (б).

Если фокусы линзы 4 и объектива 3 не совпадут, то изображения щели разойдутся (рис. 4, г), тогда их можно совме-стить перемещением дополнительного объектива 3.

Объектив 3 перемещается с помощью микрометренного меха-низма, по которому это смещение отсчитывают.

Вершинные фокусные расстояния измеряют следующим обра-зом. В прибор, юстированный по эталонной линзе, вставляют контролируемую, линзу указанным выше способом, вновь совме-щаются изображения щели; полученное при этом смещение допол-нительного 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 экспе-риментальным данным, максимальная погрешность при вершин-ном фокусном отрезке линзы, равном 25 мм, составила 0,04%.

Измерение фокусных расстояний

Метод увеличения на коллиматоре.

Визуальное определение фокусных расстояний выполняют по схеме. В фокальной плоскости коллиматорного объектива 2 расположена сетка 1 с несколькими вертикальными штрихами. Ее изображение получается в фокальной плоскости испытуемого объектива 3. Это изображение рассматривают посредством микро-скопа и измеряют с помощью окуляр-микрометра.

отсюда (1)

Обозначив =С = const, получим

Если фокусное расстояние коллиматорного объектива неиз-вестно, 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.

Фокус-ное расстояние объектива коллиматора равно 750 мм. В его фокальной плоскости расположена сетка с шестью параллельными штри-хами; расстояния, между ними от 6 до 60 мм. Измерительный ми-кроскоп установки имеет два сменных объектива с увеличением 3 и 6^х и окуляр-микрометр с увеличением 10^х.

В зависимости от величины фокусного расстояния испытуемой системы измерения выполняют либо окуляр-микрометром, если в поле зрения микро-скопа 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 фо-кусными расстояниями до 40 мм, второй — для объективов с большими фокусными расстояниями.

Суммарная погрешность измерения обычно составляет 0,2—0,3%. 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 0,3—0,6%.

Фотографическое определение фокусных расстояний отличается от визуального только тем, что изображение сетки коллиматора, полученное в фокальной плоскости испытуемого объектива, вос-принимается фоточувствительным слоем, а затем измеряется па компараторе.

Таким методом обычно определяют фокусные расстояния фото-графических объективов, причем фокусное расстояние измеряют одновременно с определением фотографической разрешающей силы.

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.