Реализация базисного метода контроля фокусировки длиннофокусных объективов

РЕАЛИЗАЦИЯ БАЗИСНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ФОКУСИРОВКИ ДЛИННОФОКУСНЫХ ОБЪЕКТИВОВ Н.И. Кручинина, А.С. Уваров

В статье рассматриваются проблемы контроля фокусировки длиннофокусных коллиматорных объективов при замене визуального способа контроля фотоэлектрическим. С использованием математического моделирования проведен технологический анализ устройства контроля фокусировки, построенного по базисной схеме. Дано резюме о технических требованиях, предъявляемых к устройству. Получено их экспериментальное подтверждение.

Введение

Фотоэлектрические методы контроля оптических систем давно и успешно используются в лабораторной и производственной практике. Повышению эффективности этих методов способствует внедрение в технологические процессы ПК и компьютерных технологий. Однако на пути внедрения усовершенствованных методов контроля часто возникают трудности прикладного характера.

Так, одним из широко используемых средств контроля и сертификации биноклей является коллиматорная установка А.Н. Захарьевского [1]. Оптическая система установки содержит длиннофокусный объектив с/об.кол .= 4200 мм и относительным отверстием Б: ^ = 1: 20.

Расчет и обоснование допуска на расфокусировку объектива

В процессе модернизации установки А.Н. Захарьевского визуальный метод работы на ней был заменен фотоэлектрическим с использованием видеокамеры и ПК. В результате модернизации оказалась невозможной установка коллиматора на бесконечность с необходимой точностью. Наблюдаемое на экране монитора изображение марки коллиматора имело удовлетворительное мало изменяющееся качество в диапазоне перефокусировки 200-250 мм. Такой эффект можно объяснить низким разрешением системы и слабым контрастом изображения, обусловленным незащищенностью крупногабаритной установки от посторонней засветки. В то же время расчет показывает, что изменение ширины пограничной кривой для края изображения всего на 0,02 мм приводит к неопределенности положения марки коллиматора, выходящей за пределы допуска.

Ь 0,02

2к =-=-* 0,3мм;

к о'к 0,07 ' '

1'к = - *об к * 1,3 • 105 мм;

2к

г'кол. = 4 - /Обкоп. = 1,3-105 - 4200 * 126-103 мм;

2 ~ /Рбжол. 17,6-106 * 140

2кол. =-'-= ——7Т * 140мм .

г кол. 126 -103

Здесь а'к - задний апертурный угол объектива камеры; /'об к - фокусное расстояние объектива камеры; /'об кол - фокусное расстояние объектива коллиматора; 2кол, гк - расстояние от фокуса до предмета для объектива коллиматора и камеры, соответственно;

2кол, 2К - расстояние от заднего фокуса до изображения для объектива коллиматора и камеры.

а„

а

Рис. 1. Схема к расчету допуска на установку марки в фокусе объектива коллиматора

В соответствии с ГОСТ 7048-81 допуск на сходимость пучков лучей (дивергенция) за окулярами бинокля составляет адив = 40', а в пространстве предметов

адив = 40'/Гб = 4' для биноклей с видимым увеличением Гб = 10х (рис. 1). Зададим допуск на сходимость пучков коллиматора равным 1/5 адив = 0,8'. Допустимое смещение марки относительно фокуса объектива коллиматора

г

доп.кол.

Г'2

у об.к

30мм.

гдоп.к

гдоп.1

= ь - га

К

2 • Гб • 5

об . кол .

а див.

/о I

70•2-10•5

об.кол.

40•3-10

- 4

- 4200«583м

где Ишах - максимальная рабочая координата на зрачке объектива коллиматора.

Невозможным оказывается и контроль фокусировки по признаку минимального размера изображения марки на экране монитора. Оценим величину приращения изображения марки при ее фокусировочном смещении &кол = 100мм .Эквивалентное фокусное расстояние системы из объектива коллиматора и камеры /кв. = 202мм, 2Жв = -4000мм,

_- Л

5р

•Ъг

' экв. и кол.

, &Ум = У- 5р экв. • ММ ~ 0,04 мм

где 5Рэкв - изменение линейного увеличения эквивалентной системы при смещении марки; у - радиус марки коллиматора; Мм - масштаб изображения на экране монитора, Мм = 200. Изменение размера изображения на экране 5уМ ~ 0,04мм не обнаруживается глазом, что согласуется с результатами эксперимента.

Коллиматорная установка, предназначенная для юстировки, поверки и сертификации биноклей, подлежит периодической поверке. Ее метрологическое обеспечение должно содержать метод и средство контроля установки коллиматора на бесконечность. Обзор таких методов и средств показал, что наиболее приемлемым для решения поставленной задачи является базисный метод [2, 3] как наиболее простой и достаточно точный.

Метод заключается в параллельном перемещении визирной оси камеры в направлении, перпендикулярном визирной оси коллиматора (рис. 2). При этом зрачок камеры вырезает в зрачке объектива коллиматора пучки, главные лучи которых составляют разные углы с визирной осью камеры. На экране монитора наблюдается смещение изображения марки, пропорциональное расфокусировке.

Принимая погрешность оценки остаточного смещения Аост = 2мм, определим погрешность ( 5Ю ) установки коллиматора на бесконечность этим методом:

экв

2

г

экв.

=

- /'об.

а

к. ^ ост.

К

-17,6-106 Ю-4 70

: 25 мм; а О

А'

ММ  /Об.к.

а-10

- 4

где аост - остаточная сходимость пучка лучей, создаваемого коллиматором.

Формирование и исследование математической модели базисного метода

Испытания установки на работоспособность показали, что смещение изображения марки коллиматора на экране монитора имеет две взаимно перпендикулярные составляющие. С достаточной степенью уверенности можно утверждать, что увод траектории не влияет на величину информативного параметра расфокусировки. Однако он вызывает неудобства при оценке допустимого остаточного смещения и не позволяет составить строгую методику выполнения контрольно-юстировочных операций.

Чтобы определить причину наблюдаемого увода, было проведено математическое моделирование базисного метода при наличии некоторых погрешностей сборки устройства.

• Направление перемещения визирной оси камеры не совпадает с диаметром зрачка объектива коллиматора.

Рис. 2. Схема базисного метода контроля фокусировки коллиматорного объектива: 1 -объектив видеокамеры; 2 - фотоприемник; 3 - пентапризма; 4 - зрачок объектива коллиматора; 5 - изображение марки, построенное объективом коллиматора

В системе координат 0ХУ2 (рис. 2) зададим массив векторов К, описывающих главные лучи пучков, пересекающих плоскость зрачка объектива коллиматора в точках Ао - А4:

К =

С соб Рг-  вт а 1 ^ вт рг-соб Рг-  СОБ аIJ

а =

С-3,71 Ю-4 ^ - 3,66 -100

3,66 ю-4 3,69 Ю-4

в =

С 4,76 Ю-3 ^ 4,88  104,97 -105,06  105,12 Ю-3

Здесь Рг- - угол между главным лучом и плоскостью Х02; аг- - угол между проекцией главного луча на плоскость Х02 и осью 2.

Начальное положение визирной оси камеры V зададим относительно главного луча K0 через углы 5 и 9: ( cos 5- sin

V =

5 = 0,01, 9= 0,015,

sin 9 cos 5- cos 9^

где 5 - угол наклона визирной оси камеры относительно главного луча А0 в плоскости YOZ; 9 - угол наклона визирной оси камеры относительно А0 в плоскости XOZ, Координаты изображения марки коллиматора на фотоприемнике определяются

через приращения углов главных лучей и описываются конечным вектором Т в системе координат фотоприемника:

(cos 5- sin в + (cos +1 - sin Рг- - cos аг- - sin Рг-)^ T = sin 9 +(sin а i+j - sin а i) - /Обк,-

1

Y,

ф.п. 0,1

0,05-

-1-1-1-1—

0,3 0,35 0,4 0,45

X,

ф.п.

Рис.3. Траектория движения изображения марки коллиматора в системе координат,

связанной с фотоприемником

Некомпланарность визирной оси коллиматора плоскости сканирования визирного луча V

Рис.4. Иллюстрация наклона визирной оси коллиматора на угол £ относительно плоскости XOZ, в которой происходит сканирование визирного луча

Увод траектории движения марки появляется и при наклоне визирной оси колли-

матора относительно плоскости сканирования визирного луча V на угол s = —-

(рис. 4). Для выполнения этого требования в [2] предлагается горизонтировать главное

е

кол

сечение пентапризмы. Выражения для координат изображения марки на фотоприемнике имеют вид:

Г- 0,01666^

' еу • ео8(Ру) '

ХФ.п. = ё (Рг ) ' /об.к.; ГФл. = Т, /об.к.; Рг =

/ об.кол.

- 0,01190 0

0,01190 0,01666

1 ф.п.

-2,38095

-2,38080 ..

-2,38062

-5

X

ф.п.

Рис. 5. Траектория движения изображения марки коллиматора при наклоне

его визирной оси

Очевидно, что увод траектории движения марки появляется и при развороте фотоприемника вокруг оси камеры.

Анализ рассмотренных погрешностей сборки показывает их слабое влияние на увод траектории движения марки на экране монитора (рис. 3, 5). Следовательно, фоку-сировочное устройство не требует юстировки перед эксплуатацией. Опытным путем было установлено, что аномальная траектория движения марки на экране монитора обусловлена неточностью направляющих для перемещения пентапризмы.

Испытания фокусировочного устройства на коллиматорной установке дали устойчивые результаты. В серии из тридцати наблюдений разброс положения марки коллиматора при фокусировке не превышал 15 мм.

Заключение

Расчетным путем и исследованиями, проведенными на коллиматорной установке, реализующей базисный метод контроля фокусировки длиннофокусных объективов, подтверждена возможность использования штатной видеокамеры установки совместно с призменным выверителем.

Исследования неизбежных погрешностей сборки выверителя, проведенные на математической модели и в эксперименте, показали, что требования к взаимной ориентации его элементов невысоки и позволяют получить требуемое значение доверительного интервала расфокусировки без тонкой юстировки.

Литература

1. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи. Л.: Машиностроение, 1989.

2. Ельников Н.Т, Дитев А.Ф., Юрусов И.К. Сборка и юстировка оптико-механических приборов. М.: «Машиностроение», 1974.

3. Пизюта Б. А., Михайлов И.О. Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений. Измерение больших фокусных расстояний. http://www.ssga.ru/AllMetodMaterial