Вплив умов експлуатації на відхилення фокусної відстані фокусуючих пристроїв

При зміні температури якість зображення може погіршати

унаслідок росфокусування оптичної системи. Розглянемо об'єктив, який будує зображення на фотоприймачі встановленому в його фокальній площині (Рис.6.7)

Рис.6.7. Побудова зображення на фотоприймачі

На рисунку об'єктив 1 складається з двох склеєних лінз закріплених в корпусі 2, в якому встановлений фотоприймач 3. Зміна температури приводить до змін радіусів кривизни, показників заломлення і товщини лінз і, як слідство, до розфокусування. Унаслідок подовження корпусу змінюється також відстань між об'єктивом і фотоприймачем.

Для тонкої лінзи залежність відхилення фокусу від зміни температури може бути отримана на основі аналізу формули для оптичної сили такої лінзи:

                       (6.23)

Продиференціюємо співвідношення (6.23) по зміні температури,тоді отримаємо:

                   (6.24)

У (6.24) , де   - лінійний температурний коефіцієнт розширення матеріалу;  - коефіцієнт приросту показника заломлення при зміні температури для довжини хвилі .

Термооптична постійна скла визначається співвідношенням:

 

.                                    (6.25)

Підставивши   у вираження (6.24) отримаємо:

.                 (6.26)

Співвідношення (6.26) показує як залежить відхилення фокусної відстані лінзи від коливань температури.  - довідкова величина і наводиться як одна з характеристик оптичного скла.

Для того що б компенсувати відхилення фокусної відстані при коливаннях температури в автоматичному режимі, застосовують термокомпенсатори. Для компенсації терморозфокусування, застосовують два кільця термокомпенсатора, з   близьким до  скла. Як матеріал кілець застосовують сталь, титан, інвар, алюміній, латунь. Для визначення лінійних розмірів кілець використовується умова відсутності розфокусування. При цьому враховується, що для склеєного об'єктиву, відхилення фокусної відстані рівне:

                 (6.27)

де   і  - оптичні сили першого і другого елементів склеювання.

Приклад значень термооптичних постійних для крона і флінта

Значення  для сталі і інвару дорівнюють:

        

Лекція № 19. Розрахункі термокомпенсаторів при конструюванні об’ективів. Аналіз прикладів конструкцій термокомпенсаторів

 

На рисунку 6.8 змальований термокомпенсатор розфокусування. У конструкцію входить обьектив 1, два циліндрові кільця 2 і 4, встановлені між об ’ єктивом і фотоприймачем 5, корпус 3, пружинне кільце 6.

Рис.6.8. Термокомпенсатор розфокусування

Умова відсутності розфокусування має вигляд:

 де  .                                                                                                                              (6.28)

Тоді отримаємо:

                                                                                                     (6.29)

Оскільки  то вибравши матеріал і з якого виготовлятимуться кільця термокомпенсатора (тобто вибравши і ), можна вирішити рівняння (6.29) відносно невідомих і  :

    ;             (6.30)

    .                                                   (6.31)

У тому випадку, коли необхідно переміщати фотоприймач вліво і управо відносно номінального положення, застосовуються термокомпенсатори з трьох кілець (рис.6.9). В разі трьох кілець термокомпенсатора, умова відсутності розфокусування набирає вигляду:

,          (6.32)

де  - довжина корпусу.

На рис 6.9. показані набори кілець 1-3 з різними коефіцієнтами лінійного розширення, різьбове кільце 4, пружинне кільце 5.

Рис.6.9.Термокомпенсатор з трьох кілець

У тому випадку, коли відхилення фокусної відстані є значними, (це має місце в довгофокусних системах і при великих коливаннях температур), можуть бути застосовані рідинні компенсатори.

Для визначення переміщення поршня при зміні температури, застосовується співвідношення:

,      (6.33)

де  - зміна об'єму рідині при зміні температури;  - номінальний поперечний перетин поршня;   - номінальний об'єм рідини;   - коефіцієнт об'ємного розширення рідини;   - коефіцієнт температурного розширення матеріалу поршня.

    Відношення довжин важелів механізму  для переміщення поршня рівне:

,                          (6.34)

де К - коефіцієнт впливу переміщення лінзи на розфокусування об'єктиву;  - величина зрушення площини зображення при зміні температури.

Термокомпенсатори застосовуються так само для компенсації передавлення лінз в оправах при зміні температури. Крім того, вони дозволяють виключати появу зазорів в з'єднанні лінз в оправах. Розрахунок таких термокомпенсаторів виконується із співвідношення:

,                 (6.35)

де   - довжина компенсатора, діаметр оправи і діаметр лінзи;  - відповідні лінійні температурні коефіцієнти розширення.

Якщо вважати, що діаметр оправи , виходячи із співвідношення(6.35), можна порахувати довжину компенсатора:

                          (6.36)

Як матеріал термокомпенсатора в таких конструкціях застосовують:

1. Органічне скло СОЛ ()

2. Вінілові пластмаси ВП ()

Для фіксації термокомпенсаторів застосовуються герметики. У великогабаритних лінзах, кількість компенсаторів може сягати15-16. Допустима величина терморозфокусувань визначається рядом чинників, серед яких:

1. Дифракційна глибина різкості об'єктиву.

2. Допустимий подовжній паралакс (неспівпадання площини сітки і площини зображення).

3. Геометричною глибиною різкості (для проекційних об'єктивів).

4. Глибиною акомодаційної різкості для окуляра.

Допустиме відхилення фокусної відстані при обмеженні дифракційною глибиною різкості, визначається з такого співвідношення:

(мкм),                              (6.37)

де   - задній апертурний кут фокусуючої системи.

При обмеженні паралаксом допустима величина   рівна:

- для телескопічної системи

                                  (6.38)

 

де  - допустимий кутовий паралакс в площині предмету; Г - збільшення телескопічної системи;  - максимально можливе переміщення ока(поперечне) в межах вихідної зіниці;

 - для системи мікроскопа:

                          (6.39)

де Р_доп - допустимий лінійний паралакс;  - збільшення мікрооб'єктиву.

При обмеженні геометричною глибиною різкості для проекційних систем

,                      (6.40)

де   - кутова роздільна здатність ока в радіанах;  - мінімальна відстань від екрану до спостерігача; Р - відстань від проекційного об'єктиву до екрану;   - діаметр вхідної зіниці об'єктиву.

При обмеженні глибиною акомодаційної різкості для окуляра:

                                         (6.41)

 

Лекція № 20. Класифікація та основні типи систем автофокусування об’ективів

 

Ці пристрої складаються з наступних основних елементів вказаних на рис.6.10. На рисунку показані:  об'єкт, що зображається 1; фокусований об'єктив 2; датчик різкості 3; елемент, що управляє 4; привід до фокусованого об'єктиву 5; площина зображення 6.

Ці пристрої діляться на дві групи:

Системи прямого управління, коли датчик різкості (3) розташований поза основним ходом променів що йдуть від об'єкту (1) через фокусуючий об'єктив (2), який переміщується приводом (5) по сигналу від елементу, що управляє (4).

 

Рис. 6.10. Пристрій автоматичного фокусування об'єктиву

Системи із зворотним зв'язком або замкнуті системи управління (Рис.6.11) містять: об'єкт, що зображається 1; фокусований об'єктив 2; датчик різкості 3; елемент, що управляє 4; привід до фокусованого об'єктиву 5; площина зображення 6. При цьому датчик різкості розташований в основному ході променів.

Рис. 6.11. Система із зворотним зв'язком

    Датчик різкості в другій схемі оцінює відсутність різкості зображення в двох площинах, рівновіддалених від площини найкращої установки. Раніше такі схеми із застосуванням візуального контролю, називалися схемами з Дапай растром.

Системи автоматичного фокусування (САФ) можуть бути активного і пасивного типа. Прикладом системи активного типа є система, що працює за принципом локатора, який посилає до об'єкту ІЧ промені від світлодіода або міні-лампочки і сприймає відбитий сигнал, міряючи паралактичний кут  (див. рис. 6.12). Такі системи використовуються у фотоаппаратурі типа Canon, Minolta.

Рис. 6.12. Система активного типа

Системи пасивного типа можуть будуватися на кореляційному принципі обробки сигналу (див. рис. 6.13). Така система використовується у фотоаппаратурі Wisitronic, Honeywell.

Рис. 6.13. Система пасивного типа

На рисунку 6.13 позначені наступні елементи: 1 – нерухоме дзеркало;1’ – поворотне дзеркало; 2, 2’ – фокусуючі об'єктиви; 3 – призма; 4, 4’ – ПЗЗ лінійки;5 – пристрій управління; 6 – механічний привід для розвороту дзеркала і управління фокусованням

При повороті дзеркала 1` знімаються струми з елементів ПЗЗ лінійок. Якщо, наприклад, таких елементів 5, то відповідно будуть зняті струми   і  . Кореляційний струм визначається по формулі:

                                  

Передбачимо, що темновому струму відповідає 1-а одиниця, а зображенню 3 одиниці. Передбачимо в першому випадку зображення на 1-ій і 2-ій лінійках проектується на 2-й і 4-й елементи тоді кореляційний струм рівний:

У другому випадку зображення в обох лінійках проектується на 3 елемент, тоді струм кореляції максимальний і рівний:

                                                  

Система автоматичного фокусування може бути побудована із застосуванням тіньових методів (див. рис. 6.14). Така система заснована на тому, що в площині зображення розташована діафрагма, що по різному обмежує світлові пучки, залежно від відсутності або наявності розфокусування. Фотоприймачі розташовані істотно далі за діафрагмою і формують електричний сигнал, що керує основним об'єктивом.

 

Рис. 6.14.Тіньовий метод

Спочатку проводиться налаштування схеми, при якій в розрахунковому положенні фокусованого об'єктиву, діафрагма розташовується в його фокальній площині і різницевий сигнал з фотоприймачів 2 і 2’ дорівнює нулю. При розфокусуваннях об'єктиву міняється положення його фокальної площини відносно діафрагми. Таким чином, діафрагма по різному вин’єтує світлові пучки в залежності від знаку розфокусувань. Відбувається розбалансування схеми і різницевим сигналом з блоку 3 управляють приводом 5. Прикладом використання такої схеми є фотоапарат Pentacon, Ger.

    Схема пристрою що застосовує нелінійність люксамперних характеристик фотоприймачів показана на рис.6.15.

Рис. 6.15. Схема пристрою що застосовує нелінійність люксамперних характеристик фотоприймачів

Згідно рисунку 6.15 зображення ділянки об'єкту і фону 1, проектується фокусуючим об'єктивом 2 на відповідну поверхню приймача 3. Приймач має нелінійну люксамперну характеристику, коли  відповідає струму насичення i_нас. при цьому струм з фотоприймача залежить від різкості зображення на його поверхні. Струм вимірюється пристроєм 4 і досягши мінімального струму з фотоприймача, визначається положення фокусування об'єктиву 2. Заздалегідь система набудовується так, що при розмитому кордоні між світлими і темними ділянками в площині зображення (положення розфокусування) освітленість відповідає максимальному струму. Збільшення освітленості на світлій ділянці не дає збільшення струму, оскільки режим насичення. У той же час зменшується площа освітленої ділянки на поверхні фотоприймача, що приводить до мінімізації струму.

Системи фокусування з подовжнім скануванням будуються за схемою, представленою на рисунку 6.16.

 

 

Рис. 6.16. Система фокусування з подовжнім скануванням

    При подовжньому скануванні аналізатор зображення (точкова діафрагма) 3 сканує зображення в подовжньому (осьовому) напрямі. При цьому потік випромінювання, що проходить через діафрагму, змінюється від максимального, коли діафрагма в площині зображення, до мінімального, коли діафрагма знаходиться в зоні розфокусування. Положення діафрагми визначає електронний блок 6. Потік від коліматора 1попадає в об'єктив, діафрагма на плоскій пружині 3 коливається від електромагніту, живленого генератором синусоїдальної напруги 7. За діафрагмою розташовується фотоприймач 4 і підсилювач 5. Вихідна напруга з фотоприймача містить дві гармонійні складові (рис.6.17)., одна з частотою модуляції , а друга з подвійною частотою 2 , де  - частота коливань пружинної діафрагми. Відносний вміст гармонік подвоєної і одинарної частот дає інформацію про міру розфокусування. Якщо система сфокусована, то переважає сигнал подвоєної частоти, а при розфокусуванні починає переважати сигнал одинарної частоти.

 

 

Рис. 6.17. Вихідна напруга з фотоприймача

Частотний склад гармонік аналізує синхронний детектор 10. Гідністю такої системи є незалежність результатів виміру від таких параметрів як потік випромінювання, чутливість приймача і підсилювача. Об'єктив з фокусною відстанню 35 мм був проконтрольований такою системою з точністю 1 мкм.

На рисунку 6.18 представлена система фокусування з поперечним скануванням.

Рис. 6.18. Система фокусування з поперечним скануванням

Система фокусування включає: 1 – коліматор з точковою діафрагмою; об'єктив -2; модулюючий растр 3, що складається з двох секцій (А) і (Б), розгорнутих на 180⁰. При обертанні модулятора, растри (А) і (Б) поперемінно входять в хід променів. Ідентифікацію растрів здійснює оптопара (9). Залежно від того, який растр збігається з площиною фокусування, сигнал на виході матиме наступний вигляд (рис.6.19.):

Рис. 6.19. Сигнал на виході системи фокусування з поперечним скануванням

Якщо система сфокусована, то:

                                       

Сигнал сприймається фотоприймачем 4, поступає на підсилювач 5, далі на мікропроцесор 6, що визначає міру дефокусування і з мікропроцесора на привід переміщення об'єктиву 8. Система володіє реверсивними властивостями, що дозволяє визначити напрям переміщення.

 

Лекція № 21. Поняття центрування об’ективів. Методи компенсації децентрувань