Измерение диаметра наименьшего кружка рассеяния инфракрасных объективов фотоэлектрическим методом

 

Цель ра­бо­ты

1. Изу­че­ние ме­то­ди­ки из­ме­ре­ния диа­мет­ра наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния (НКР) ин­фра­крас­ных (ИК) объ­ек­ти­вов.

2. Из­ме­ре­ние диа­мет­ра НКР круж­ка рас­сея­ния ИК объ­ек­ти­вов фо­то­элек­три­че­ским ме­то­дом.

 

Опи­са­ние ла­бо­ра­тор­ной ус­та­нов­ки

Рас­смат­ри­ва­ет­ся ме­тод из­ме­ре­ния диа­мет­ра НКР пу­тем оп­ре­де­ле­ния ши­ри­ны из­ме­ри­тель­ной ще­ли, при ко­то­рой ве­ли­чи­на по­то­ка энер­гии, про­шед­шей че­рез из­ме­ри­тель­ную щель, со­от­вет­ст­ву­ет за­дан­но­му со­от­но­ше­нию с пол­ной энер­ги­ей пят­на рас­сея­ния ис­пы­туе­мо­го ИК объ­ек­ти­ва.

Схе­ма из­ме­ри­тель­ной ус­та­нов­ки для вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний диа­мет­ра НКР при­ве­де­на на рис. 7.1, где 1 – ла­зер­ный ис­точ­ник из­лу­че­ния в ИК диа­па­зо­не спек­тра для из­ме­ре­ний; 2 – ла­зер­ный ис­точ­ник из­лу­че­ния в ви­ди­мом диа­па­зо­не спек­тра для на­строй­ки схе­мы из­ме­ри­тель­ной ус­та­нов­ки; 3 – зер­ка­ло; 3′ и 3″ – различные положения зеркала 3; 4 – ко­рот­ко­фо­кус­ные сфе­ри­че­ские зер­ка­ла кол­ли­ма­то­ра; 5 – то­чеч­ная диа­фраг­ма; 6 – длин­но­фо­кус­ное сфе­ри­че­ское зер­ка­ло кол­ли­ма­то­ра; 7 – кон­тро­ли­руе­мый объ­ек­тив; 8 – от­счет­ное уст­рой­ст­во; 9 – узел из­ме­ри­тель­ной ще­ли; 10 (10¢) – эк­ран лю­ми­нес­цент­но­го ви­зуа­ли­за­то­ра; 11 - вспо­мо­га­тель­ная оп­ти­че­ская сис­те­ма (со­пря­гаю­щий объ­ек­тив); 12 – фо­то­при­ем­ное уст­рой­ст­во (фо­то­элек­три­че­ский пре­об­ра­зо­ва­тель); 13 – блок ре­ги­ст­ра­ции.

 

Рис.7.1. Схе­ма из­ме­ри­тель­ной ус­та­нов­ки для вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний диа­мет­ра НКР

 

Тех­ни­че­ские ха­рак­те­ри­сти­ки

Для вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний при­ме­ня­ют­ся сле­дую­щие сред­ст­ва из­ме­ре­ний и тех­ни­че­ские сред­ст­ва:

1. Ис­точ­ник ла­зер­но­го из­лу­че­ния ин­фра­крас­но­го спек­траль­но­го диа­па­зо­на для из­ме­ри­тель­ных це­лей ти­па СО₂ – ла­зер ГЛ-7/220 или ана­ло­гич­ный со сле­дую­щи­ми па­ра­мет­ра­ми: дли­на вол­ны ла­зер­но­го из­лу­че­ния 10,6 мкм, сред­няя мощ­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния не ме­нее 2 Вт, энер­ге­ти­че­ская рас­хо­ди­мость ла­зер­но­го из­лу­че­ния не бо­лее 10 мрад, от­но­си­тель­ная не­ста­биль­ность мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния за 30 ми­нут ра­бо­ты не бо­лее ±5%, раз­мер пуч­ка на вы­ход­ном зер­ка­ле не бо­лее 2,0 мм.

2. Ис­точ­ник ла­зер­но­го из­лу­че­ния ви­ди­мо­го спек­траль­но­го диа­па­зо­на для юс­ти­ро­воч­ных це­лей: He-Ne ла­зер ЛГН-207Б или ана­ло­гич­ный ему.

3. Зер­каль­ный кол­ли­ма­тор.

4. Щель из­ме­ри­тель­ная (ГОСТ 17173).

5. Го­ло­гра­фи­че­ский асфе­ро­метр АГ-2 или ана­ло­гич­ный виб­рои­зо­ли­ро­ван­ный из­ме­ри­тель­ный стол.

6. Ви­зуа­ли­за­тор из­лу­че­ния: ви­зуа­ли­за­тор лю­ми­нес­цент­ный ВЛ-2 со сле­дую­щи­ми тех­ни­че­ски­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми: диа­метр ра­бо­че­го по­ля эк­ра­на 120 мм, диа­па­зон ви­зуа­ли­зи­руе­мой плот­но­сти мощ­но­сти от 0,01 до 0,2 Вт/см², инер­ци­он­ность от 1 до 2 с., раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность от 0,5 до 1 мм ^-1, ра­бо­чая спек­траль­ная об­ласть при­ме­не­ния от 0,7 до 25 мкм.

7. Сред­ст­во из­ме­ре­ния мощ­но­сти из­лу­че­ния: сред­ст­во из­ме­ре­ний сред­ней мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния ти­па ИМО-4С, для из­ме­ре­ния кон­цен­тра­ции энер­гии в пят­не рас­сея­ния.

8. Вспо­мо­га­тель­ная оп­ти­че­ская сис­те­ма, со­стоя­щая из со­пря­гаю­ще­го объ­ек­ти­ва, пред­на­зна­чен­ная для из­ме­не­ния те­лес­но­го уг­ла, в ко­то­ром рас­про­стра­ня­ет­ся по­ток из­лу­че­ния, па­даю­щий на фо­то­при­ем­ник.

По­ря­док ра­бо­ты

1. Вклю­чи­ть пи­та­ние всех элек­тро­при­бо­ров, вхо­дя­щих в из­ме­ри­тель­ную ус­та­нов­ку, со­глас­но тех­ни­че­ским опи­са­ни­ям и ин­ст­рук­ци­ям по экс­плуа­та­ции.

2. Про­верить юс­ти­ров­ку и при не­об­хо­ди­мо­сти про­ве­сти на­строй­ку со­став­ных час­тей из­ме­ри­тель­ной ус­та­нов­ки (поз. 1 – 6).

3. Вы­б­рать зер­ка­ло кол­ли­ма­то­ра из ком­плек­та ко­рот­ко­фо­кус­ных сфе­ри­че­ских зер­кал та­ким об­ра­зом, что­бы обес­пе­чить ус­ло­вие за­пол­не­ния вход­но­го зрач­ка ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва ИК из­лу­че­ни­ем.

4. По­лу­чить у пре­по­да­ва­те­ля ис­пы­туе­мый объ­ек­тив 7 и ус­та­но­ви­ть его в оп­ра­ву юс­ти­ро­воч­но­го уз­ла. При этом пер­вая лин­за ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва долж­на быть об­ра­ще­на к объ­ек­ти­ву кол­ли­ма­то­ра 6. По­во­рот­ное зер­ка­ло по­ста­вить в по­ло­же­ние 3. Оп­ти­че­скую ось ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва со­вмес­ти­ть с оп­ти­че­ской осью кол­ли­ма­то­ра с точ­но­стью ±1¢ на­кло­ном объ­ек­ти­ва с по­мо­щью под­ви­жек юс­ти­ро­воч­но­го сто­ли­ка. Точ­ность со­вме­ще­ния осей кон­тро­ли­ру­ет­ся с по­мо­щью плос­ко­па­рал­лель­ной пла­сти­ны с кли­но­вид­но­стью ме­нее 30¢¢, при­жа­той к пе­ред­не­му тор­цу ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва по бли­ку на вы­ход­ном тор­це юс­ти­ро­воч­но­го ла­зе­ра 2. Ве­ли­чи­на от­кло­не­ния ав­то­кол­ли­ма­ци­он­но­го бли­ка не долж­на пре­вы­шать 5 мм.

5. Про­верить рав­но­мер­ность и сим­мет­рич­ность ос­ве­ще­ния ла­зер­ным пуч­ком апер­ту­ры вход­но­го зрач­ка ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва 7. Про­вер­ку про­из­во­ди­ть ви­зу­аль­но с по­мо­щью эк­ра­на 10 лю­ми­нес­цент­но­го ви­зуа­ли­за­то­ра ВЛ-2. При не­об­хо­ди­мо­сти ус­та­но­ви­ть рав­но­мер­ность и сим­мет­рич­ность ос­ве­ще­ния в плос­ко­сти вход­но­го зрач­ка объ­ек­ти­ва с по­мо­щью уг­ло­вых под­ви­жек ла­зе­ра 1 и зер­кал кол­ли­ма­то­ра 4 и 6, на­блю­дая из­лу­че­ние ви­зу­аль­но с по­мо­щью эк­ра­на 10 лю­ми­нес­цент­но­го ви­зуа­ли­за­то­ра ВЛ-2.

6. В слу­чае при­ме­не­ния лю­ми­нес­цент­но­го ви­зуа­ли­за­то­ра (см. рис. 7.1) ус­та­но­ви­ть узел из­ме­ри­тель­ной ще­ли 9 в плос­кость НКР объ­ек­ти­ва. Опе­ра­цию ус­та­нов­ки лез­вий но­жей уз­ла из­ме­ри­тель­ной ще­ли кон­тро­ли­ровать ви­зу­аль­но на эк­ра­не 10 ви­зуа­ли­за­то­ра ВЛ-2, ис­поль­зуя по­пе­ре­мен­но про­доль­ные и по­пе­реч­ные под­виж­ки уз­ла из­ме­ри­тель­ной ще­ли 9 и до­би­ва­ясь наи­бо­лее сим­мет­рич­но­го, от­но­си­тель­но вер­ти­каль­ной плос­ко­сти, га­ше­ния те­не­вой кар­ти­ны на эк­ра­не 10 ви­зуа­ли­за­то­ра ВЛ-2.

7. В слу­чае при­ме­не­ния сред­ст­ва из­ме­ре­ний сред­ней мощ­но­сти ИМО-4С 11, 12 (см. рис. 7.1) ус­та­но­ви­ть пред­ва­ри­тель­но узел из­ме­ри­тель­ной ще­ли 9 в плос­кость НКР ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва 7 с точ­но­стью 1 – 2 мм (кон­тро­ли­ро­вать из­ме­ри­тель­ной ли­ней­кой по ГОСТу 427), при этом щель долж­на быть пол­но­стью от­кры­та. Ис­поль­зуя про­доль­ные и по­пе­реч­ные под­виж­ки уз­ла из­ме­ри­тель­ной ще­ли 9, до­биться мак­си­маль­но­го зна­че­ния сиг­на­ла по шка­ле бло­ка ре­ги­ст­ра­ции ИМО-4С 13 при пол­но­стью от­кры­той ще­ли. За­тем по­вто­ри­ть те же опе­ра­ции при ще­ли, за­кры­той до по­ло­же­ния, при ко­то­ром уро­вень сиг­на­ла со­ста­вит 0,5 от мак­си­маль­но­го.

8. Вы­пол­не­ние из­ме­ре­ний в слу­чае при­ме­не­ния сред­ст­ва из­ме­ре­ний сред­ней мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния ИМО-4С.

8.1. От­крыть из­ме­ри­тель­ную щель 9 пол­но­стью и за­кры­вать ее до по­ло­же­ния, при ко­то­ром зна­че­ние сиг­на­ла по шка­ле бло­ка ре­ги­ст­ра­ции 13 ИМО-4С умень­шит­ся не бо­лее чем на 1% от мак­си­маль­но­го зна­че­ния. За­фик­си­ровать это зна­че­ние и счи­тать его за 100% энер­гии круж­ка рас­сея­ния.

8.2. За­крыть из­ме­ри­тель­ную щель 9 до та­ко­го по­ло­же­ния, при ко­то­ром сиг­нал, счи­ты­вае­мый по шка­ле бло­ка ре­ги­ст­ра­ции 13 ИМО-4С, умень­шит­ся до 80% от мак­си­маль­но­го сиг­на­ла.

8.3. Снять от­счет N с от­счет­но­го уст­рой­ст­ва 8 уз­ла из­ме­ри­тель­ной ще­ли 9.

8.4. По­вто­ри­ть опе­ра­ции 8.2 – 8.3 не ме­нее де­ся­ти раз.

8.5. Вы­чис­ли­ть диа­метр наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния объ­ек­ти­ва D_НКР по фор­му­ле

,

где N_i – по­ка­за­ние от­счет­но­го уст­рой­ст­ва из­ме­ри­тель­ной ще­ли, со­от­вет­ст­вую­щее i -му от­сче­ту по п. 8.3, мкм;

n -чис­ло из­ме­ре­ний.

Оп­ре­де­ли­ть по­греш­ность из­ме­ре­ний диа­мет­ра наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния объ­ек­ти­ва D D _нкр по фор­му­ле

,

где D N – сред­няя квад­ра­ти­че­ская по­греш­ность, мкм, оп­ре­де­ляе­мая по фор­му­ле

,

где S – чув­ст­ви­тель­ность (про­из­вод­ная), мкм, рав­ная от­но­ше­нию при­ра­ще­ния по D _нкр, мкм, при­ра­ще­нию по Ф, т.е. ; где Ф – от­но­си­тель­ная ве­ли­чи­на энер­гии (мощ­но­сти) из­лу­че­ния, при­хо­дя­щая­ся на кру­жок рас­сея­ния за­дан­но­го диа­мет­ра для кон­крет­но­го об­раз­ца кон­тро­ли­руе­мо­го ИК объ­ек­ти­ва; d_л – со­став­ляю­щая по­греш­но­сти из­ме­ре­ния диа­мет­ра наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния объ­ек­ти­ва, обу­слов­лен­ная не­ста­биль­но­стью из­лу­че­ния ин­фра­крас­но­го СО₂ ла­зе­ра и оп­ре­де­ляе­мая по фор­му­ле

,

где D_л – пре­дел от­но­си­тель­ной не­ста­биль­но­сти мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния ин­фра­крас­но­го СО₂ ла­зе­ра за пе­ри­од пас­пор­ти­за­ции не­ста­биль­но­сти мощ­но­сти дан­но­го ла­зе­ра t _л= 30 ми­нут (со­глас­но пас­пор­ту), %; t _и - ве­ли­чи­на нор­мы вре­ме­ни на из­ме­ри­тель­ную опе­ра­цию, мин; d _и – со­став­ляю­щая по­греш­но­сти из­ме­ре­ния диа­мет­ра наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния объ­ек­ти­ва, обу­слов­лен­ная по­греш­но­стью сред­ст­ва из­ме­ре­ний сред­ней мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния ИМО-4С и оп­ре­де­ляе­мая по фор­му­ле

,

где D_и – пре­дел от­но­си­тель­ной по­греш­но­сти сред­ст­ва из­ме­ре­ний сред­ней мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния ИМО-4С (со­глас­но пас­пор­ту), %; d_оу – ин­ст­ру­мен­таль­ная по­греш­ность от­счет­но­го уст­рой­ст­ва из­ме­ри­тель­ной ще­ли, мкм; d_к – по­греш­ность, вно­си­мая кол­ли­ма­то­ром, мкм, оп­ре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле

,

где f¢ _ио – но­ми­наль­ное зна­че­ние фо­кус­но­го рас­стоя­ния кон­тро­ли­руе­мо­го объ­ек­ти­ва, мкм; ω¢ _рк – но­ми­наль­ное зна­че­ние рас­хо­ди­мо­сти ИК (ла­зер­но­го) из­лу­че­ния на вы­хо­де зер­каль­но­го кол­ли­ма­то­ра.

Офор­ми­ть от­чет, со­дер­жа­щий схе­му ус­та­нов­ки, ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний, ис­ко­мую ве­ли­чи­ну D _нкр, по­греш­ность из­ме­ре­ний диа­мет­ра наи­мень­ше­го круж­ка рас­сея­ния объ­ек­ти­ва D D _нкр.

 

Кон­троль­ные во­про­сы

1. В чем со­сто­ят осо­бен­но­сти из­ме­ре­ний НКР объ­ек­ти­вов в ИК об­лас­ти спек­тра?

2. По­яс­ни­те ра­бо­ту из­ме­ри­тель­ной ус­та­нов­ки для вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний диа­мет­ра НКР ИК объ­ек­ти­вов?

3. Ка­кой ал­го­ритм дей­ст­вий ис­поль­зу­ет­ся при вы­пол­не­нии из­ме­ре­ний диа­мет­ра НКР ИК объ­ек­ти­вов?

4. Ка­ки­ми со­от­но­ше­ния­ми поль­зу­ют­ся при оп­ре­де­ле­нии по­греш­но­сти из­ме­ре­ния диа­мет­ра НКР объ­ек­ти­вов, ра­бо­таю­щих в ИК диа­па­зо­не?

5. Про­ана­ли­зи­руй­те пу­ти умень­ше­ния со­став­ляю­щих по­греш­но­сти из­ме­ре­ний дан­но­го па­ра­мет­ра ИК объ­ек­ти­ва.

 

Лабораторная работа №8