Применение инвариантных оптических систем в схемах контроля и юстировки ОЭП

объекта и выведено соответствующее выражение. Показано, что данный метод может быть использован для контроля геометрических параметров цилиндров большого диаметра.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Санкт-Петербурга, грант № 28-04/18.

список литературы

1. Назаров В. Н., Иванов А. Н. Использование явления муара для увеличения точности дифракционных методов контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптич. журн. 2009. Т. 76, № 1. С. 46—50.

2. Назаров В. Н., Иванов А. Н. Дифракционный метод контроля на основе „зеркальной" апертуры // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 4. С. 38—42.

3. Назаров В. Н., Линьков А. Е. Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптич. журн. 2002. Т. 69, № 2. С. 76—81.

4. Зебрева К. А., Чугуй Ю. В. Расчет дифракционных явлений на 3D объектах постоянной толщины при различных конфигурациях освещения // Тр. VII Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2006". СПб, 2006. Т. 3. С. 258—267.

5. Чугуи Ю. В. Определение геометрических параметров протяженных объектов постоянной толщины по их дифракционным картинам // Автометрия. 1991. № 6. С. 76—92.

6. Иванов А. Н., Каракулев Ю. А., Михайлов В. М. Алгоритм измерения геометрических параметров объекта по его муар-интерференционной картине // Наст. выпуск. С. 33—37.

Сведения об авторах

Виктор Николаевич Назаров — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-

верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов Александр Николаевич Иванов — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: i_off@mail.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

компьютеризации и проектирования 26.04.11 г.

оптических приборов

УДК 681.4.07

А. М. Бурбаев, А. И. Леонтьева, Г. А. Одиноких, Д. А. Френкель

ПРИМЕНЕНИЕ ИНВАРИАНТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СХЕМАХ КОНТРОЛЯ И ЮСТИРОВКИ ОЭП

Рассматриваются принципиальные особенности построения оптических схем контроля в процессе юстировки приборов, инвариантных ко всем или нерегист-рируемым смещениям и поворотам оптической системы.

Ключевые слова: инвариантные оптические системы, автоколлиматор, схемы контроля и юстировки, уголковый отражатель.

Качество оптических приборов, производительность труда в процессе их сборки и технологическая себестоимость во многом зависят от методов и средств, применяемых при контроле и юстировке [1—3]. К современным схемам контроля предъявляются повышенные требования по точности и надежности в сочетании с возможностью автоматизации. В наибольшей степени таким требованиям отвечают методы и средства контроля, в схемах которых

применяются инвариантные оптические системы. Под инвариантностью оптической системы понимается неизменность ее свойств или невосприимчивость к изменению пространственного положения одного или нескольких ее элементов.

Инвариантные оптические системы известны достаточно давно и успешно применяются в оптических схемах измерительных, геодезических и других оптических приборов, обеспечивая их точность, надежность, универсальность, „нерасстраиваемость" и возможность автоматизации процесса измерения [2, 4—6]. Вместе с тем информация о применении инвариантных оптических систем в схемах юстировки в технической литературе встречается чрезвычайно редко, хотя преимущества таких схем очевидны. Рассмотрение многообразных задач юстировки и принципиальных особенностей построения схем для их решения на основе инвариантных оптических систем, в том числе и разработанных на кафедре компьютеризации и проектирования оптических приборов СПбГУ ИТМО, является предметом исследования в настоящей статье.

Понятие „инвариантность" носит относительный характер. Это означает, что оптическая система обладает неизменностью своих свойств лишь при определенных условиях, например только в параллельном пучке лучей, при поворотах или смещениях вокруг или вдоль определенных осей системы координат, связанной с данной оптической системой. Система может обладать так называемой „избирательной инвариантностью" [7], т.е. быть инвариантной к углу отклонения осевого луча в одной плоскости и неинвариантной к отклонению осевого луча в плоскости, перпендикулярной первой. В дальнейшем будем рассматривать свойства инвариантных оптических систем в параллельном пучке лучей, где чаще всего осуществляется контроль.

Простейшим примером системы, инвариантной к отдельным смещениям и поворотам, является плоское зеркало. Если ось 2 неподвижной прямоугольной системы координат направить вдоль нормали к отражающей плоскости зеркала, то любые его смещения в плоскости хоу, параллельной отражающей плоскости, и повороты вокруг осей, параллельных нормали, инвариантны к направлению отраженных лучей и положению изображения.

Другим простым примером инвариантной системы может служить зеркальный ромб (ЗР) — система из двух параллельных друг другу зеркал. Любые сдвиги зеркального ромба, а также поворот его вокруг оси, параллельной нормалям к отражающим плоскостям, инвариантны к направлению отраженных лучей и положению изображения. Ромб-призма, эквивалентная по своему действию зеркальному ромбу, также инвариантна к любым сдвигам. В параллельном же ходе лучей любые сдвиги и повороты ЗР и ромб-призмы инвариантны. Пучок лучей, отраженный зеркальным ромбом, не изменяет своего направления.

Следующей оптической системой, представляющей интерес, является угловое (двойное) зеркало (УЗ) или призма с двумя отражающими гранями. В отличие от зеркального ромба, зеркала УЗ и грани призм не параллельны. Основным свойством этой системы является постоянство угла отклонения 5 отраженных лучей (по отношению к падающим) в плоскости главного сечения. Причем 5 = 2о, где а — угол между отражающими плоскостями (гранями). В сходящемся ходе лучей действие углового зеркала выражается в повороте пространства предметов вокруг ребра, образованного пересечением зеркал, на угол 2а в направлении от первого (по ходу лучей) зеркала ко второму. Отсюда следует инвариантность УЗ к повороту вокруг ребра. В призмах также имеется ось, параллельная ребру, образованному отражающими гранями, поворот вокруг которой инвариантен. В параллельном ходе лучей повороты вокруг любой оси, параллельной ребру, для призмы с двумя отражениями и УЗ инвариантны. Более того, как показывают исследования свойств этих систем, небольшие наклоны угловых зеркал (как и призм, им эквивалентных) вокруг осей, перпендикулярных ребру, обусловливают изменения угла 5 отклонения лучей в главном сечении лишь на величину второго порядка малости [1].

Наиболее интересной зеркальной системой является прямоугольный триэдр или уголковый отражатель. Другие названия этой системы — световозвращатель и трипельпризма. Призма, эквивалентная уголковому отражателю, обозначена в работе [1] как БкР-180°. Уголковый отражатель состоит из трех взаимоперпендикулярных отражающих граней. Его основное свойство заключается в том, что он отражает лучи в строго обратном направлении, независимо от угла их падения.

Свойства перечисленных выше зеркально-призменных систем могут быть описаны матрицами их действия на направление падающих лучей [1, 8]. Приведем выражения для матриц наиболее часто применяемых инвариантных зеркально-призменных систем.

Для УЗ, в случае когда угол а между зеркалами составляет 90°, а ось 2 направлена вдоль ребра, матрица имеет следующий вид:

Р" „

ст=90°

Г1 о о

0

1 о

о ^ о -1

= -Р'

А экв>

где Рэ'кв — матрица плоского зеркала, перпендикулярного ребру прямоугольного УЗ, эквивалентного по своему действию угловому зеркалу в параллельном ходе лучей; для исключения отрицательного знака перед матрицей следует поменять на противоположные знаки всех ортов пространства предметов.

Для ромб-призмы , когда а = о,

Р" = Ра=о =

Г1 о о

0

1 о

о ^

0

1

= Е,

где Е — единичная матрица.

Для прямоугольного триэдра (уголкового отражателя) в любой системе координат матрица определяется как

Г1 о о ^

Р = —

экв

о

о 1 о о

= - Е.

Рассмотрим конкретные примеры применения инвариантных оптических систем, применяемых в схемах контроля и юстировки оптических приборов.

Пример 1. Рассмотренные выше зеркальный ромб и призма БкР-18о° широко используются в схемах контроля, выверки и юстировки многоканальных приборов, для параллельного переноса пучка лучей излучающих систем, например коллиматоров, лазеров, а также визирных осей зрительных труб, тепло- и телевизионных камер, автоколлиматоров.

Пример 2. На рис. 1 показана схема специального искателя, составленного из светоде-лительного куба-призмы 3 и уголкового отражателя 2. Искатель предназначен для облегчения поиска автоколлимационного изображения, образуемого зеркалом 1 малого размера, и для приведения его в поле зрения автоколлиматора 4, имеющего, как правило, малое угловое поле зрения. Оператор через куб-призму искателя наблюдает два освещенных поля и посредством наклонов автоколлиматора совмещает эти два поля. В этот момент в поле зрения автоколлиматора появляется автоколлимационное изображение. Покажем, что угловое положение искателя не влияет на взаимное положение совмещаемых полей. Для этого нужно доказать, что угол между ортом А осевого луча, выходящего из автоколлиматора 4, и ортом А' луча,

отраженного от плоского зеркала 1, и в отсутствие специального искателя, и при его установке сохраняет свое значение. Величину угла 5 можно найти из скалярного произведения указанных ортов:

соб5 = Л^Л'.

После установки в ход лучей искателя пучок разделяется, но и при этом каждая его часть отражается от одной и той же светоделительной грани. В работе [8] доказано, что угол между векторами после отражения в плоском зеркале не изменяется. Следовательно, угловое положение искателя не влияет на взаимное положение совмещаемых полей и точная его установка не требуется.

2

Рис. 1

Пример 3. На рис. 2 приведена схема приспособления ГК-3 для горизонтального длиномера ИКУ-2. При сборке этого устройства необходимо обеспечить строгую параллельность рабочих плоскостей доведенных до зеркальной точности стальных угольников 2 и 3, установленных на едином основании 1 и повернутых в противоположные стороны. Для контроля следует использовать автоколлимационный метод с разделением зрачка автоколлиматора 4, а также вспомогательный отражатель 5 в виде призмы БкР-180° (уголкового отражателя).

5 2 1 3 4

Рис. 2

Пример 4. В оптической системе, представленной на рис. 3, при юстировке автоколлимационной трубы 1, содержащей окуляр со светоделительным кубиком и две сетки — основную 2 и автоколлимационную 3, необходимо не только совместить обе сетки с фокальной плоскостью объектива трубы, но и устранить взаимный разворот штрихов сеток, а также совместить центры их перекрестий, т.е. совместить визирные оси коллиматорной ветви и приемной.

Обычно для этих целей используют контрольную зрительную трубу, которую устанавливают перед юстируемой. Юстировку осуществляют подвижками сетки 3. Однако результат

юстировки приходится контролировать путем наблюдения в окуляр контрольной трубы. В интервале между двумя переходами этой операции юстировщику приходится перемещаться от одного окуляра к другому (автоколлимационные трубы обычно длиннофокусные) и, более того, находясь у окуляра юстируемой трубы 1, осуществлять подвижки наугад. Иными словами, операции контроля и собственно юстировки оказались в данном случае разделенными в пространстве и во времени, что увеличивает затраты времени на юстировку.

Совсем другой результат достигается, если вместо контрольной трубы применить уголковый отражатель 4. Тогда в поле зрения юстируемой трубы 1 наблюдаются две сетки 2 и 3. В этом случае необходимо автоколлимационное изображение совместить с перекрестием основной сетки 2 (приемной ветви).

Пример 5. На рис. 4 представлена оптическая система цехового интерферометра ИТ-100, построенного по схеме Физо; здесь: 1 — ртутная лампа, 2 — конденсор, 3 — точечная

диафрагма, 4 — зеркало, 5 — полуотражающая пластина, 6 — объектив, 7, 8 — клинья-эталоны, 9 — оправа клиньев, 10 — предметный столик, 11 — револьвер с проекционными объективами и отверстием, 12 — окуляр-микрометр. При юстировке интерферометра необходимо достичь теле-центричности пучка лучей в пространстве образования интерференционных полос равной толщины. Это означает, что помимо обеспечения плоскостности волнового фронта, необходимо также обеспечить перпендикулярность пучка лучей эталонной плоскости „А" клиньев интерферометра.

Классическое решение этой задачи — совмещение автоколлимационного изображения точечной диафрагмы от плоскости „А" с самой диафрагмой, наблюдаемое со стороны выхода пучка из диафрагмы. Однако по многим причинам, в первую очередь, из-за труднодоступности и слабой освещенности изображения, сделать это сложно. Решение задачи можно упростить, если на предметный столик установить трипельпризму, что позволяет как бы повернуть коллиматор-ную ветвь на 180°, направляя пучок света на клин снизу. Тогда в окуляр наблюдаются два

1 2 3 4

9

7

Рис 4

3

2

изображения точечной диафрагмы. Посредством наклонов зеркала 4 совмещают оба изображения, а путем наклонов пластины 5 приводят их в центр поля зрения.

Пример 6. В процессе юстировки узла клиньев рассмотренного выше интерферометра ИТ-100 необходимо установить главные сечения двух клиньев, круглых по форме, параллельно диаметральной плоскости их оправы (имеющей форму круглого диска 0 400 мм), проходящей через геометрические центры клиньев с погрешностью ±2°.

Использование коллимационной схемы контроля (с приставным коллиматором — „утенком") создает дополнительную непростую задачу — выставление в заданной плоскости визирной оси зрительной трубы, фиксирующей направление отклоненного клином пучка.

Поиск более рациональной схемы контроля привел авторов к решению применить автоколлимационный метод в сочетании с отражателем, обладающим особыми свойствами: он должен быть инвариантным к углу отклонения пучка лучей клином в его главном сечении, но чувствительным к развороту клина вокруг оптической оси системы. Таким отражателем оказалась призма БР-180° (рис. 5).

До установки в ход лучей клина 2 визирная ось автоколлимационной трубы 3 выставляется перпендикулярно ребру Р призмы 1 путем совмещения автоколлимационного изображения перекрестия с перекрестием основной сетки. При введении в пучок лучей клина автоколлимационное изображение в поле зрения сместится вдоль оси х, параллельной ребру Р призмы, если главное сечение клина окажется неперпендикулярным ребру Р. Установку же ребра призмы перпендикулярно заданной диаметральной плоскости оправы можно осуществить конструктивно — базированием оправы призмы в приспособлении, на которое устанавливается юстируемый узел клиньев.

Пример 7. Довольно часто в процессе юстировки приборов возникает задача контроля угла отклонения пучка света, отраженного зеркалом, когда угол отклонения отличается от 90°. В таких приборах, например, как измерительные проекторы требуемая точность установки зеркал составляет несколько угловых минут [8].

2

Зеркало с оправой

1

Р х

Рис. 5

1

33°15'

23°30'-

Р

ч

Е

5

Рис. 6

Рассмотрим оптическую систему, схема которой приведена на рис. 6. Автоколлимационный контроль угла отклонения отраженного пучка света осуществляют в два этапа. На первом этапе зеркало в оправе, имеющей цилиндрическую ступенчатую форму с отверстием

внутри, базируют в стальной призме 5 таким образом, чтобы плоскость падения отраженного осевого луча оказалась перпендикулярной плоскости контрольной плиты 6, на которой собрана данная установка. Для этой цели используют отражатель 4 в виде призмы БР-180°, ребро прямого угла которой параллельно основанию оправы.

Разворотом оправы с зеркалом на призме 5 приводят автоколлимационное изображение перекрестия трубы 1, установленной с использованием вспомогательного зеркала 2, в центр поля зрения. Посредством поворота на плите 6 отражателя 4 устраняют разворот автоколлимационного изображения по отношению к собственному перекрестию трубы 1. На втором этапе отражатель 4 заменяют отражателем 3, имеющим вид короткого валика из закаленной стали ХВГ со скошенным торцом. Оба торца валика представляют собой доведенные до оптической точности плоскости, причем двугранный угол о, образованный торцами контрольного валика, равен а = 90° -5, где 5 — угол отклонения осевого луча. Разворотом отражателя 3 автоколлимационное изображение приводят в центр поля. Его смещение в вертикальной плоскости определяет погрешность угла отклонения.

Таким образом, на примере рассмотренных инвариантных оптических систем показано, что их применение в схемах контроля и юстировки ОЭП придает компактность схемам и значительно упрощает сам технологический процесс, позволяя повысить его производительность за счет сокращения числа используемых средств контроля, легкости установки этих систем как внутри прибора, так и в схемах контроля отдельных узлов, обеспечения доступности к регулируемым элементам.

список литературы

1. ПогаревГ. В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1982. 237 с.

2. Сухопаров С. А. На службе оптическому приборостроению. Сер. „Выдающиеся ученые Университета ИТМО". СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. Вып. 14. 218 с.

3. Бурбаев А. М. Пути обеспечения технологичности конструкций оптических приборов и совершенствования сборочных процессов. Современные технологии: Сб. научных статей / Под ред. С. А. Козлова и В. О. Никифорова. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2002. 318 с.

4. Левин Б. М., Шевцов И. В., Зайцев И. В. и др. Прибор для автоматической регистрации непрямолинейности поверхности // Измерительная техника. 1970. № 1.

5. Сухопаров С. А., Горлушкина Н. Н. Автоматический телевизионный измерительный модуль // Оптич. журн. 1994. № 9. С. 85—88.

6. Горбачёв А. А., Коняхин И. А., Тимофеев А. Н. Построение инвариантных оптических схем оптико-электронных систем с сопряженным матричным полем анализа // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 10. С. 54—57.

7. Син Сянмин. Определение параметров контрольного элемента углоизмерительной ОЭС с избирательной инвариантностью // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2006. Вып. 26.

8. Погарев Г. В., Киселев Н. Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник. Л.: Машиностроение, 1989. 260 с.

Амир Маруанович Бурбаев

Алена Игоревна Леонтьева

Глеб Андреевич Одиноких

Сведения об авторах доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: aburbaev@mail.ru

студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов

студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов

Давид Александрович Френкель

студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов

Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов

Поступила в редакцию 26.04.11 г.

УДК 62.378

Г. Г. Ишанин, Г. В. Польщиков, Е. И. Шевнина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФРЕНЕЛЕВСКИХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ПРОХОДНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Проанализированы схемы построения френелевских ответвителей для проходных измерителей энергетических параметров лазерного излучения. Определены области использования ответвителей в зависимости от их конструктивного исполнения.

Ключевые слова: френелевский ответвитель, проходной измеритель, поляризация.

В практике физического эксперимента проходные системы контроля энергетических параметров лазерного излучения используются достаточно широко. Применение таких систем повышает воспроизводимость результатов особенно при относительных измерениях.

Кроме широко распространенных встроенных систем оперативного контроля, используются проходные измерители энергетических параметров излучения, разработанные в качестве приборов, функционирование которых не зависит от схемы конкретной экспериментальной или технологической установки. Определяющее отличие проходных измерителей от систем оперативного контроля заключается в возможности их включения в оптическую схему установки или удаления из нее, при этом работа экспериментальной или технологической установки не нарушается.

В соответствии с вышесказанным проходной измеритель должен обеспечивать минимальное искажение первоначального пучка излучения, и в определенных пределах его показания не должны зависеть от вариации других параметров лазерного излучения. В качестве базовой можно предложить разработанную авторами следующую структуру проходного измерителя параметров лазерного излучения (рис. 1):

1 — ответвитель лазерного излучения, обеспе- -чивающий точное и стабильное выделение малой части исходного потока; важнейшей характеристикой ответвителя является его коэффициент прозрачности и чувствительность к поляризационным и спектральным искажениям, а также чувствительность к погрешностям юстировки;

2 — компенсатор геометрических искажений исходного пучка лазерного излучения, которые возникают под действием ответвителя; основные требования к этому элементу — обеспечение минимальных и стабильных энергетических искажений при компенсации геометрических;

1 2

3 4

Рис. 1