Раздел 1. Основы оптических измерений

Карпов А.И.

Оптические измерения: Учебное пособие для студентов по направлению подготовки 12.03.02 - Оптотехника.

 

 

Учебное пособие подготовлено в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Оптические измерения».

Учебное пособие включает следующие разделы: основы оптических измерений, средства измерений оптических величин, измерение характеристик оптического стекла, измерение и контроль конструктивных параметров оптических деталей, измерение характеристик оптических систем. Излагается классификация измерений и погрешностей измерений, принципы построения измерительных средств. Особое внимание уделяется методам и средствам измерения и контроля характеристик оптических систем и конструктивных параметров оптических деталей и узлов, а также математическому описанию и оценки их погрешностей. В изучаемый материал включены примеры решения измерительных задач и задания для самостоятельной работы.

Предназначено для студентов специальности 12.03.02 – Оптотехника и может быть полезно для магистров и аспирантов ВУЗов оптико-электронного приборостроения.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Раздел 1.ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Понятия об измерениях и измерительных средстствах

1.2.Классификация измерений

1.2.1. По виду измерений

1.2.2.По методам измерений

1.2.3.По способу выражения результатов измерения

1.2.4.По характеру зависимостей измеряемой величины

1.2.5. По способу воздействия на объект измерения

1.2.6. По способу воздействия на технологический процесс

1.2.7.По точности измерения

1.3. Погрешности измерения

1.3.1.Систематические погрешности (СП).

1.3.2.Случайные погрешности (Сл.П)

1.4. Оценка результатов обработки данных измерения

1.5. Некоторые особенности измерения и обработки данных

1.6.Погрешности измерения прямого и

компенсационного преобразования

1.7.Погрешности косвенных измерений

Раздел 2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. Обобщенная оптико - электронная измерительная установка

2.1.1.Основые измерительные операции

2.1.2.Факторы, влияющие на точность измерения

2.1.3.Погрешности поперечных наводок

2.1.4.Погрешности продольной наводки (фокусировки)

2.2.ТИПОВЫЕ СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.3.1. Тестовые объекты

2.2.2. Осветители

2.2.3. Автоколлимационные окуляры

2.2.4. Окулярные микрометры

2.2.5. Коллиматоры

2.2.6. Зрительные и автоколлимационные трубы

2.2.7. Измерительные микроскопы

Раздел 3. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

3.1.Гониометрические методы

3.2. Измерение коэффициента преломления рефрактометрическим методом

Раздел 4. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КОНСТРУКТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ.

4.0. Общие сведения.

4.1. Измерение линейных размеров

4.1.1. Измерение с помощью компаратора.

4.1.2. Измерение толщин оптических деталей

c помощью микроскопа

4.2. Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей

4.2.1. Механический метод

4.2.2. Автоколлимационный метод.

4.2.3. Интерференционный метод измерения радиусов кривизны сферических поверхностей (метод НЬЮТОНА)

4.3. Измерение углов призмы, клиньев и клиновидности пластин

4.3.2. Особенности измерения углов многогранника.

4.3.3. Измерение углов оптических клиньев

4.4. Контроль децентровки линз.

Раздел 5. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

5.1. Основные характеристики оптических приборов

5.2. Измерение фокусных расстояний

5.2.1. Метод увеличения

5.2.2. Метод угловых измерений

5.2.3. Автоколлимационный метод Русинова

5.2.4. Метод узловой точки

5.2.5. Метод Фабири-Юдина

5.3. Измерение фокальных отрезков

5.4. Измерение рабочих отрезков

5.4.1. Визуальный метод измерения

5.4.2. Фотографический метод

5.4.3. Интерференционный метод

5.4.4. Фотоэлектрический метод

5.4.5. Фотоэлектрический метод

5.5 Измерение углового увеличения оптических систем

5.6. Измерение видимого увеличения микроскопа

5.7 Измерение линейного увеличения микрообъектива (b)

5.8. Измерение коэффициента виньетирования фотографических объективов

5.9.Измерение распределения освещенности в плоскости изображения

5.10.Измерение коэффициента светопоглощения оптической системы и стекла

5.11.Измерение коэффициента светорассеяния оптической системы

5.12.Измерение эффективного относительного отверстия фотографического объектива

5.13.Измерение цветопередачи фотографических объективов

 

 

Классификация измерений

 

Оптические измерения классифицируются следующим образом:

по виду и методам измерений, по способу выражения результатов измерений, по характеру измеряемой величины, по виду воздействия на объект измерения.

1.2.1. По виду измерений:

 

Прямыми измерениями называют, когда измеряемая величина находится в непосредственных единицах измерения. Например: измерение углов на гониометре в угл. мере, измерение размеров микрометром в мкм.

Косвенными измерениями - когда измеряется не сама величина, а другие, связанные с ней определенной функциональной зависимостью

y=¦(х_1,,х₂,...), например: радиус кривизны сферической поверхности определяется по формуле R=(r²+h²)/ 2h, где r - радиус измерительного кольца, h- высота сегмента сферы.

Рис 1.3

Совместные и совокупныеизмерения применяются для увеличения точности измерений, в этих случаях одну или несколько искомых величин измеряют несколько раз, при этом меняют или условия измерения (совместные измерения) или меняют сочетания измеряемых величин (совокупные измерения). В результате измерений составляется система уравнений, связывающая искомые и измеряемые величины, решая которую находим истинные величины.

Примеры. 1. совокупные измерения. Измерение погрешности изготовле ния трех плоских зеркал, которые накладываются друг на друга.

 

По интерференционной картине, которая образуется при этом составляются уравнения: N₁=Х₁+Х₂, N₂=Х₁+Х_3, N₃=Х ₂+Х₃,где N_i -число видимых интерференционных полос,образованных парами плоских зеркал. Решая эти уравнения, получим Х_i- искомое число интерференционных полос.

2. Совместные измерения. Измерения плоскостности зеркал двумя и более методами или разными условиями измерения, где также составляются аналогичные уравнения: N₁=Х₁+Х₂, N₂=Х₁+Х₂.

По методам измерений

 

 

Метод непосредственной оценки состоит в измерении величин непосредственно по прибору прямого действия (например, измерение длины метром). Этот метод наиболее распространенный и грубый.

Метод сравнения с мерой является более точным.

1.Метод противопоставления - здесь измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, воздействуют одновременно (прибор сравнения).

2.Диференциальный метод (разностный) -метод, при котором измеряется разность величин , т.е. определяется отступление от меры. Пример: контроль величин по образцовой мере.

3.Нулевой (компенсационный) метод основан на компенсации разностного сигнала до нуля. Например, измерение углов клиньев с помощью автоматического измерителя углов клиньев.

4.Метод замещения основан на сравнении с мерой, где измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой.

 

1.2.3.По способу выражения результатов измерения:

-абсолютный метод измерения, когда измеряемая величина выражается в абсолютных единицах измерения,

-относительный метод измерения , применяется при измерении погрешностей

1.2.4.По характеру зависимостей измеряемой величины:

- статические измерения, когда Х(t)=соnst, при этом измерения подразделяются на однократные и многократные (статистические).

- динамические измерения,когда Х(t)-var

1.2.5. По способу воздействия на объект измерения:

- контактные и бесконтактные

1.2.6. По способу воздействия на технологический процесс:

- активный способ, когда измерения производятся в процессе изготовления деталей, узлов, приборов,

- пассивный -после изготовления или в промежутке между операциями,

- поэлементный контроль,

- комплексный контроль.

1.2.7.По точности измерения делятся на три класса:

- измерения высшей точности,

- контрольно-поверочные измерения (государственная и ведомственная поверки),

- технические измерения.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ

Пусть Х -истинное значение измеряемой величины, а_i - результаты измерения.Погрешностью измерения называется отклонение результата измерения а_i от истинного значения измеряемой величины Х.

Погрешности результатов измерения выражают в виде:

абсолютных - D_i = а_i - х

относительных - d_i = D_i / Х

По характеру их проявления они подразделяются:

 

 

Оценка измеряемой величины

(2.6.)

КОМПЕНСАЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Схемы измерительных приборов (ИП) прямого и компенсационного преобразования представим на Рис.1.6.1 и Рис. 1.6.2 соответственно

Рис.2.6.1 Рис.2.6.2

1.6.1. Пусть ИП состоит из N последовательно соединенных элементов, имеющих функциональные зависимости

, ;

, ,

1.6.2. Аналогично п. 1.6.1 получим

у=к/(1+кb)х @(1/ b)х =(1/ Pbi) х; при кb>1

ln у=-åln bi +ln х;®Dу/у= - å(Dbi / bi) +Dх / х, dх=dу+åd_bi

1 2 3 4 3 5 6 7 8

 

 

Рис.2.1 Функциональная схема О-Э измерительного устройства

На Рис.2.1 обозначены:

-1 - ОСВЕТИТЕЛЬ (конденсор с лампой, лазерный или естественный источник света),который служит для создания равномерной освещенности;

-2- ТЕСТ-ОБЪЕКТ - это специального вида измерительный элемент (точка,щель,перекрестье,растр,мира и т. п.);

-3- оптические системы изображающие (ОС),которые формируют изображение тест-объекта с целью изучения характеристик исследуемой ОС и представляют собой одну из четырех типов ОС: 00-зрительная труба, 01-01-объектив,10-микроскоп,11-репродукционный объектив; 1,2,3- единый функциональный блок (например,коллиматор), служащий для получения входной измерительной информации о тест- объекте;

-4 - ОБЪЕКТ ИЗМЕРЕНИЯ;

- 6 - АНАЛИЗАТОР ИЗОБРАЖЕНИЯ,который состоит из специального анализирующего (отсчетного) устройства 5-сетки, марки, сканирующей щели, диска с растрами и т.п. и приемника излучения 12- глаз или фотоприемник; анализатор изображения выделяет информацию о рассогласовании между изображением тест-объекта и нулем отсчетного устройства, эта информация может быть двух видов:

1) электрический сигнал(фотоэлектрический анализатор, напр. ФЭУ),

2) зрительно-нервный(в визуальных анализаторах- ГЛАЗ человека).

Операция совмещения изображения тест-объекта с изображением анализатора наз. наведением, узлы 3,5,6 -устройствами наведения.

- 7-УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ (УО), которые представляют собой аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, передающие информацию в ЭВМ или оператору (автоматические или полуавтоматические устройства обработки). С помощью УО выполняют две задачи: 1-ая - операция наведения по сигналу рассогласования воздействием на устройства 6 ® 7 ® 11 ®9 ®6, 2-ая -преобразование сигнала с отсчетного устройства в вид удобный для документирования 11®7®8.

- 8 - РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (РУ)

- 9 - УСТАНОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО (УУ), которое служит для установки и перемещения отдельных при настройке и измерении. Оно представляет собой станину (корпус) с направляющими. Сюда могут входить передаточные механизмы, привода и фиксаторы. УУ непосредственно связано с отсчетным устройством, которое позволяет фиксировать смещение узлов.

- 10 - ОТСЧЕТНОЕ УСТРОЙСТВО (ОУ), которое предназначено для получения измерительной информации в форме, удобной для восприятия и передачи в устройства обработки и регистрации. ОУ - это сложные механические, оптические и оптико-механические узлы, имеющие развертывающие устройства для определения дробных частей шкалы(напр. окулярные микрометры, винтовые микрометры и т.п.).

- 11 - УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, которое предназначено для воспроизведения программы наводки, измерения, обработки и регистрации в автоматическом и полуавтоматическом режимах измерения.

Тестовые объекты

К ним относятся: точечные и щелевые диафрагмы, сетки, миры, перекрестья, марки и растры специальной формы, полуплоскость.

1.Точечные диафрагмы (точки) служат для имитации светящейся точки и применяются для контроля качества изображения О и ОЭС. Изготов ляются механическим способом или прожиганием лазерным лучом.

Д_д Д_д=(1,22l/ Sins_о^‘)(¦^‘ _к/¦^‘’_о)

2.Щелевые диафрагмы (сменные и регулируемые) применяются для измерения аберраций а также для угловых и спектральных измерений.

3.Сетки с различными шкалами. Cетка- это плоскопаралельная пластина из оптического стекла с нанесенными на нее шкалами.

4. Миры: штриховые, радиальные, глубинные, комбинированные.

Штриховые миры представляют собой испытательные таблицы, выполненные на оптическом стекле в виде штриховых элементов, оцифрованных от 1-25. Каждый элемент состоит из четырех групп штрихов (светлых на темном фоне): горизонтальных, вертикальных и двух наклонных под углом 45 градусов. Ширина штрихов в каждом элементе уменьшается по геометрической прогрессии со знаменателем q = 2^-1/12 =0,94. Миры изготавливают согласно стандарта по номерам: 1 - 6. Число штрихов

1 2 3 4 5 определяется по формулам:

5 N=(60 / В) 1,06 ^i-1 ,

10 где i- номер элемента миры,

В 15 l=2a,a=2a/¦^‘_k ,

l a 20 где l,a - линейное и угловое

25 разрешение миры, помещенной

21 22 23 24 25 в фокусе коллиматора.

 

Основные характеристики мир сведены в таблицу

мира	В-база миры	число штрихов
1	1,2мм	50 - 200
	2,4	25 -100
	4,8	12,5 - 50
	9,6	6,5 - 12
	19,2	3,1 - 12
	38,4	1,6 - 6,3

Д Рис 2.4

Радиальные миры (Рис 2.4) представляют собой стеклянную пластину с нанесенными чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Разрешающая способность в центре поля определяется по формуле

N =n / (3,14 Д), где n - число пар секторов, Д -диаметр сливающихся секторов. Радиальные миры изготавливаются по стандарту: n=18, 36, 48, 72.

Глубинные миры представляют собой склеенный блок (Рис 3.4) из основания 6 и ряда стеклянных столбиков 1-5 разной высоты с нанесенными на них штриховыми или радиальными мирами.

1 2

+2 -2

3 0

4 5

+1 -1

Комбинированные миры - это фотоотпечатки на стекле, где нанесены в определенной последовательности штриховые и радиальные миры определенного вида.

Важной характеристикой мир, сеток, растров является контрастность К =(I_max - I_min)/ (I_max + I_min), где I_max,I_min - яркости белых и темных полос. Стандартные миры изготавливаются с К = 1.

2.2.2. Осветители состоят из источника света и конденсора. Источники света подразделяются: монохроматические - лазеры и лампы, дающие определенную длину волны(Na, Pb) и лампы осветительные, а также тепловые источники. Конденсоры проецируют нить источника на входной зрачок диафрагмы. Применяются 2-х, 3-х, 4-х кратные линзовые и зеркально-линзовые конденсоры. Их характеристики: угол охвата - 2s_А=20^о-135^о (1-ый линзовый - 20^o, 2-х линзовый -50^o, 3-х линзовый - 60^о-70^о и зеркально-линзовый -100^о-135^о и линейное увеличение- b= -1^х до -10^х, при этом должно выполняться условие - s_А^к>s_А^об .

Автоколлимационные окуляры отличаются от обычных тем, что шкала, сетка, перекрестие, находящиеся в фокусе окуляра, подсвечиваются осветителя и дополнительных оптических элементов (наклонных пластинок, призм и т.п.). Примеры ряда окуляров приведены на рис2.5.

В оптической измерительной технике широко применяются окуляры типа: Аббе, Гаусса, с куб- призмой, Монченко и редко применяются окуляры:

Линника, Захарьевского, со светящейся точкой.

 

Окуляр Гаусса

1 2 3

окуляр аббе

1 3

Рис. 2.5. Обозначения: 1- марка, 2-отражающая поверхность, 3-окуляр.

Винтовой окуляр-микрометр(МОВ) с наружным отсчетом

1 Обозначения: 1- окуляр, 2- подвижная шкала с

2 бисектором,3- неподвижная миллиметровая шкала,

4- микровинт с маховичком, на котором нанесены

3 4 деления. 1 оборот маховичка = 1 делению миллимет-

ровой шкалы, которое развертывается с помощью барабанчика, внешний цилиндр которого разделен на 100 делений. Цена деления - (10 - 1) мкм. К такому типу относятся МОВ - 1.

Коллиматоры

Коллиматор служит для имитации бесконечно удаленного предмета. Коллиматор (схему см. ниже) состоит из конденсора с осветителем 1, диафрагмы 2, тест-объекта 3, объектива 4, подвижного 5 и неподвижного 6 корпусов, матового стекла и светофильтра 7.

Характеристики коллиматора

1. Фокусные расстояния должны соответствовать нормативному ряду: 630, 1000, 1600 мм.

2. Точность измерений зависит от выполнения четырех условий:

Д_К > Д_И, ¦^‘ _к ³ (3...5)¦^¢_и, Д/¦^¢=1/8-1/15, 2w =1 - 3^o

При этом неточность установки тест-объекта в фокусе объектива и влияние аберраций (астигматизм, кома, дисторсия, кривизна поля) уменьшается в 10-25 раз (D¦ ^¢_и = D¦ ^¢(¦^¢ _и /¦ ^¢_к)²).

1 7 2 3 5 6 4

3.Волновые аберрации не должны превышать l/4.

4. Разрешающая способность в угловой мере Y=120 /Д (мм) (угл.сек).

5. Линейная (х) и угловая (g) цена деления сетки коллиматора связаны соотношением х = ¦ ^¢_k tg g.

6. Цена деления шкалы тест-объекта DC_i=¦^¢[tg(ig) - tg((i -1)g)]

1 2 1 2

3 3

Рис.2.6

Конструктивно зрительная труба(ЗТ) идентична коллиматору, только вместо диафрагмы помещена сетка с окуляром. Hа Рис.2.6 приведены ЗТ с простым и автоколлимационным окулярами, где обозначены: 1- объектив ЗТ, 2- окуляр, 3- сетка, которая помещена в фокусе окуляра и совмещается с фокусом объектива. ЗТ, имеющая фокусировку с отсчетом в мм или диоптриях, наз. диоптрийной трубкой (ДТ). ДТ служит измерения сходимости лучей телескопических систем и других ее характеристик (N, 2y,2w).

Характеристики ЗТ

1.Увеличение - Г_Т =¦^¢_об /¦^¢_ок = Д / Д^¢ = tgw^¢ / tgw; 2Д > Г_т > 0,5 Д.

2.Угловое поле зрения - 2w = 2-40 град.

3. Относительное отверстие - Д / ¦^¢ = 1/5 - 1/15

4.Линейное смещение направляющих- h=(¦^¢_об ± а)tga,a- величина фокусировки, a- допустимый угол наклона визирной оси.

5. Увеличение ДТ -Г_ДТ =4^х.

Измерительные микроскопы

Измерительные микроскопы (Рис.3.5) делят на две большие группы по их использованию при измерениях: визирные и отсчетные.

Отсчетные микроскопы служат для измерения малых предметов по шкале, находящейся в фокусе окуляра (внутри микроскопа).

Визирные микроскопы служат для измерения предметов путем перемещения предметного стола относительно измерительной шкалы, находящейся на неподвижном основании.

 

Характеристики микроскопов:

D 1.Оптический интервал D=160-190 мм.

F_об F_ок 2.Числовая апертура - А=nSins_A.

3.Разрешающая способность-d=l/2А.

Рис.3.5 y^’ 4.Глубина резкости -T=l / 2A.

5.Увеличение микроскопа -Г_м=tgw/tgw=Г_окb_об=250D/¦^¢_ок¦^¢_об;1000A³Г_м³250А

Визирные микроскопы делятся на 1- координатные, 2-координатные,3-координатные. Микроскоп состоит из 2-х основных узлов: окуляра и объектива, помещенных в едином корпусе и имеющих подвижки по оптической оси между собой и относительно предметного столика.

ГОНИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Наибольшее применение в высокоточных измерениях получили метод наименьшего отклонения и метод автоколлимации.

3.1.1. Метод наименьшего отклонения основан на определении min отклонения луча призмой (Рис4.1в).

 

а) Если луч, проходящий в призме,

q a₁-a^‘₁ ортогонален биссектрисе угла q, то

d из Рис 4.1 имеем:

a^‘₂-a₂ q=180-(90-a^‘₁) +90-a₂)=a^‘₁+a₂;

a₁ a^‘₁ a₂ a^’₂ d в) d=a₁-a^‘₁ + a^‘₂-a₂= a₁+a^‘₂-q;

Рис 3.1 a₁ При min d® a₁₌a^‘_2; a^‘₁₌a _2,

a₁₌a^‘₂ q=2a^‘₁, d=2a₁ -q;

 

Для входящего луча запишем

n=Sina₁ / Sina^‘₁ =Sin(d/2+q/2) / Sin(q/2)(3.1)

Стандартом предусмотрено применять при измерении n призмы со строго установленными углами.

n	<1.65	1,65-1,75	>1,75
q	60^o	50^o	40^o

Определим точность отсчета. Для этого прологарифмируем и продифференцируем (3.1) и заменим dx ® Dх

ln n = ln Sin (d/2+q/2) - ln Sin (q/2)

dn/n =(Sin^-1(d/2+q/2) Cos(d/2+q/2))(dd+dq)/2 - Sin^-1(q/2) Cos(q/2) dq/2

Dn= 0,5 n [ ctg(d/2+q/2) (Dd+Dq) - ctg(q/2)Dq ]

(3.2)

Способы измерения угла наименьшего отклонения:

1. Первый способ. Измерение угла d.

1.Устанавливают призму на столике так, чтобы ось гониометра через биссектрису угла q, а луч через середину стороны.

2. Методом автоколлимации или коллимации находят угол q.

3. Находят положение угла наименьшего отклонения луча,которое отыскивается по неподвижному положению изображения щели коллиматора следующим образом:

- при вращении столика с призмой, например по часовой стрелке, изображение луча щели движется в ту же сторону до тех пор, пока не дойдет до положения, соответствующего углу наименьшего отклонения - при этом изображение луча щели останавливается и меняет свое направление (см.Рис3.1.б) на противоположное. Разница углов по лимбу между направлением Вх. и Вых. лучей - угол d.

2. Второй способ. Измерение двойного угла 2d

проводится аналогично предыдущему способу (вращением призмы и установлением момента перемены вращения изображения щели) в 2-х положениях - 1 и 2, соответствующих прохождению луча через обе грани призмы (Рис.4.2).

 

 

2d Для измерения n c точностью 1,5 10^-5 необходимо

2 измерять углы с точностью- 2” (ГС-2) и иметь призму

1 с параметрами: h=10 мм, l=25мм (сторона).

 

Рис.3.2

 

3.1.2 Метод автоколлимации (метод АББЕ)

Суть метода состоит в том, что изображение марки ЗТ и ее автоколлимационное изображение совмещают друг с другом.

a q Из Рис.3.3 следует, чтоq= a^‘.

n= Sina / Sina^‘ = Sina / Sinq.

Рис.3. a‘ Точность измерения определится:

ln n = ln Sina - ln Sinq

Dn / n = (Cosa / Sina) Da - (Cosq / Sinq) Dq,

Dn = n (ctga Da+ctgq Dq),

.

Общие сведения.

Под конструктивными параметрами оптических деталей понимают: линейные размеры деталей, радиусы линз, зеркал, углы призм, клиньев.

При измерении этих параметров применяются следующие методы:

1. Механический - деталь соприкасается с мерительным инструментом.

2. Оптические методы: применяются в тех случаях,

- коллимационный когда механический метод

- автоколлимационный Þ не позволяет получить задан

- интерференционный ную точность или контакт при

- поляризационный измерении нежелателен или

- голографический невозможен.

3. Фотоэлектрический метод, где оптическая информация преобразуется фото-электронными средствами. Это метод прогрессивной технологии оптического приборостроения и применяется для автоматизации процессов измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ

Проводят с помощью спец. измерительных средств: оптических микрометров, компараторов, оптиметров, длинномеров, измерительных машин, оптикаторов,измерительных микроскопов.

C помощью микроскопа

d

Микроскоп фокусируют

M на точки A и B,

В B^’ A нанесенные на боковые

поверхности деталей.

Толщину d и погрешность

Z определяют по формулам

d=zn Dd=nDz+zDn (4.2)

d Измерение толщины

B B^’ A M d линзы выполняют

аналогичным способом

с последующим вычис-

z лением по формулам

d=nrz/(r-(n-1)z),®Dd=? (самостоятельно) (3.3)

Механический метод

При измерении этим методом применяют радиусные шаблоны и сферометры. Сферометры позволяют измерить радиусы сферической поверхности с высокой точностью --(0,02 - 0,5)%

Сферометры выпускаются промышленностью следующих типов:

- ССО - стационарный сферометр оптический (R=0,01-1м)

- СНО - сферометр накладной оптический (R=0,08-40м)

Принцип измерения радиуса основан на измерении стрелки шарового сегмента, т. е. используется косвенный метод измерения

 

Из Рис 4.2 Þ

h R² = r_к² + (R - h)² =

r r_k = r_к² + R² - 2Rh + h²,

опорный шарик R R = r_к² / 2h + h/2 ±r(4.4)

опорное кольцо

Рис.4.2 r_k -радиус опорного кольца, r - радиус опорного шарика, на который устанавливается деталь.

Дифференцируя (4.4) погрешность определится

dR ® DR DR = (2r_к / 2h) Dr_к + (r_к² / (- 1/2h²)) Dh + 0,5Dh ± Dr,

s_R = Ö (r_к/h)² s_rк² + 0,25(1- r_к² / h²)²s_h²±s_r²(4.5),

где “+”-для вогнутой поверхности, “-” для выпуклой поверхности.

Автоколлимационный метод

Основан на зеркальном отражении лучей, идущих от полированной поверхности измеряемой детали. Этим методом можно измерять R до 10км, при этом применяются следующие измерительные средства:

0,5 - 100 мм - микроскопы с автоколлимационными окулярами,

50 - 500 мм- длиннофокусные микроскопы,

1500 - 2000 мм - ЗТ с длиннофокусными объективами,

0,5 - 5000 мм - измерительные машины.

АК К

Q/2 ЗТ

ЗТ а₁ а₂

Q/2 ЗТ b q

b а₂

Рис.4.3 Рис.4.4

2) Коллимационный способ. Методика измерения:

а) измеряют в окуляре зрительной трубы (ЗТ) положение отраженных лучей света, идущих от щели коллиматора (К), из рис. 5.4а ® q=b/2, b = а₂ - а₁

б) зрительной трубы и коллиматор направляют под острым углом друг к другу так, чтобы были совмещены щель К и перекрестие З.Т. По лимбу определяют значение угла - а₁, затем повернув призму совместно с лимбом к другой грани - а₂. Из рис. 4.4 б q=180°- b, b = a₂ - a₁

Зт q Зт А j А j

а₂ а₂ а₂

Рис.4.6 Рис.4.7 Aк Рис.45.8 Aк

в) третий способ является следствием 2-го способа (Рис.4.8) и заключается в том, что поворотом призмы с лимбом автоколлимационное изображение совмещают с перекрестием Ак и отсчет значения j производят по лимбу.

nsinq = 1sinj ® q = j / n =(а₂ - а₁)/n

Погрешности: для 2-го и 3-го способа, проведя логарифмическое дифференцирование, получим Dq= q (Dj/j - Dn/n) ® Dj = ¦(D_z,D_y).s=?

2.Интерференционный метод ( Рис.5.9)применяется для более точных измерений клиньев с углами в несколько минут. Для этой цели используют интерферометры. Пучки лучей, идущие от К., отражаются от граней клина и образуют интерференционную картину в виде полос равного наклона, параллельных ребру клина, из Рис. ® Dh = yq = Nl / 2n, q = Nl / 2ny

М Д оказать, что погрешность Dq = (d_N+d_л+d+d_у).

К Dh q Используя интерферометры можно

у определить не только клиновидность Рис.4.9 плоскопараллельной пластинки, но и

выделить положение ребра и основание клина. В этом случае используют интерферометры, работающие в сходящемся пучке лучей, где вместо микроскопа (М) применяют ЗТ.

 

КОНТРОЛЬ ДЕЦЕНТРОВКИ ЛИНЗ

Под децентровкой линзы понимают несовпадение геометрической оси с оптической осью. Геометрическая ось - ось симметрии боковой поверхности линзы. Оптическая ось - прямая, соединяющая центры кривизны сферической поверхности. Оси могут быть смещены и наклонены (косина линзы). Косина вызывает разнотолщинность линзы по краям и клиновидность с углом

q = С_о / [f’(n-1)],

где С_о - смещение главной точки линзы относительно геометрической оси, f’ - фокусное расстояние линзы, n - показатель преломления стекла.

Методы измерения: механические и оптические.

1. Механический метод применяется для контроля линз большого диаметра (d> 150 - 200 мм) с использованием косинометра, где

q = Dt / D, Dt - разность толщин, D- диаметр линзы.

Коллимационный метод

Обозначения:1-3 -коллиматор, 2-сетка,4-испытательная линза, 5-8 микроскоп, 7 - сетка микроскопа.

В фокальной плоскости линзы (4) формируется изображение перекрестия сетки, рассматриваемую через М-(5-8).Если линза децентрирована т.е. главная точка не совпадает с геометрической осью, то при вращении линзы перекрестие опишет круг диаметром d, который измеряют по сетке микроскопа.

С_о = d / 2 = mt / (2b),

где m - число делений сетки микроскопа, t - цена деления сетки, b - увеличение микроскопа. Для отрицательных линз применяют дополнительный объектив, тогда

С_о = d f ’_доп / 2 f ^‘_м

3.Автоколлимационный метод. При этом используется автоколлимационная трубка, что позволяет повысить точность в два раза по сравнению с колли