Высокочувствительные способы коллимирования пучков лучей

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СПОСОБЫ КОЛЛИМИРОВАНИЯ

ПУЧКОВ ЛУЧЕЙ

С.М. Латыев, С.А. Сухопаров, П.А. Михеев, И.Н. Тимощук

Рассмотрены способы и средства коллимирования, принципиально свободные от погрешностей элементов коллимирующей системы, а также абсолютные способы контроля коллимированности пучка лучей.

Введение

Для операции фокусировки оптических приборов и их элементов важными составляющими, обеспечивающими требуемую точность, являются чувствительность индикации и качество эталона, по которому производится фокусировка. Вопросу повышения чувствительности индикации уделено достаточное внимание и посвящено значительное количество работ и исследований [1-6], поэтому остановимся лишь на проблеме эталонирования пучка лучей.

Эталоном при фокусировке является коллимированный пучок лучей, полученный тем или иным способом. Рассмотрим способы и средства коллимирования, принципиально свободные от погрешностей элементов коллимирующей системы, а также абсолютные способы контроля коллимированности пучка лучей.

Среди способов получения коллимированных пучков лучей, в частности, можно выделить следующие:

• абсолютный способ коллимирования по двустороннему плоскому зеркалу с помощью автоколлиматора;

• коллимирование с помощью подвижной пентапризмы и оптического микрометра;

• коллимирование поочередным диафрагмированием половинок входного зрачка;

• стереоскопический способ коллимирования - сравнение по глубине с помощью бинокулярного прибора изображений штриха коллиматора, образованного двумя пучками от двух зон объектива, с плоскостью измерительной марки;

• коллимирование с помощью обтюратора (визуально) или одноапертурного модулятора (фотоэлектрически).

Абсолютный способ коллимирования по двухстороннему плоскому зеркалу с помощью автоколлиматора. Схема получения коллимированного пучка с использованием двустороннего плоского зеркала приведена на рис. 1, а, где 1 - плоское зеркало; 2 - линза, для которой выполняется операция фокусировки; 3 - микроскоп с автоколлимационным окуляром.

Рис. 1. Абсолютный способ коллимирования по двухстороннему плоскому зеркалу с помощью автоколлиматора

Точность выполнения операции фокусировки по такой схеме в значительной степени зависит от плоскостности отражающей поверхности зеркала. Как известно, плоские зеркала характеризуются величиной так называемой "остаточной фокусности" - кривизны отражающей поверхности, при наличии которой плоское зеркало меняет сходимость пучка.

Для исключения погрешностей в получении коллимированного пучка от плоского зеркала, вызванных его кривизной, необходимо автоколлимационное изображение сетки автоколлимационного микроскопа получать от двух сторон зеркала (рис. 1, б). При этом величина оптической силы одной из поверхностей зеркала, обладающего кривизной, определится суммой Ф1 = Фо + АФ1, а от другой поверхности зеркала - Ф2 = Фо - АФ2. Вследствие того, что АФ1=-АФ2 (см. рис. 1, б), в конечном итоге среднее значение оптической силы будет равно Ф, + Ф^

фср = = Фо, где фо = 0.

Таким образом, результаты фокусировки оказываются свободными от погрешности, связанной с остаточной фокусностью коллимационного зеркала, поэтому достаточно предварительно проведенной грубой аттестации зеркала 1.

Способ контроля коллимированности пучка с помощью подвижной пентапризмы и оптического микрометра

Одной из причин погрешностей коллимированного пучка является несовпадение фокальной плоскости коллиматорного объектива с плоскостью сетки (продольный параллакс). Пучок лучей, выходящий из объектива коллиматора, окажется либо сходящимся, либо расходящимся в зависимости от того, где расположена сетка коллиматора - перед фокальной плоскостью объектива или за ней. Контроль указанной погрешности можно провести с помощью подвижной пентапризмы и оптического микрометра. Схема данного способа контроля приведена на рис. 2. При несовпадении фокальной плоскости объектива 2 с плоскостью сетки 1 смещение пентапризмы 3 в направлении, перпендикулярном оптической оси коллиматорного объектива, вызывает смещение изображения сетки коллиматора в окулярном микрометре, так как при расположении пентапризмы в разных участках поля (поз. 3 и 3') лучи из нее будут выходить под разными углами. В случае же совмещения сетки с фокальной плоскостью перемещение призмы не вызовет такого смещения изображения.

2 3

Л\

Рис. 2. Способ контроля коллимированности пучка с помощью подвижной пентапризмы и оптического микрометра

Контроль коллимированности пучка поочередным диафрагмированием

половинок входного зрачка

Непараллельность пучка коллиматора можно проконтролировать также путем поочередного диафрагмирования половинок входного зрачка.

Схема установки для индикации и измерения параллакса диафрагмированием приведена на рис. 3.

6

Рис. 3. Контроль коллимированности пучка поочередным диафрагмированием

половинок входного зрачка

Установка содержит поверяемый коллиматор, состоящий из объектива 1, осветителя 4, освещающего сетку 3 через рассеиватель 2 (или конденсор), и контрольную зрительную трубу с окулярным микрометром, состоящую из объектива 5, сетки 7, совмещенной с фокальной плоскостью объектива 5, окуляра 6, окулярного микрометра 8 с отсчетным устройством. Контрольная зрительная труба должна быть сфокусирована точно на да одним из точных способов коллимирования. Между объективами помещается подвижная диафрагма 9, размером приблизительно 0,5 размера входного зрачка.

Измерения производятся в следующей последовательности. Установив диафрагму 9 в одно из крайних положений, наводят нить 7 окулярного микрометра на изображение штриха сетки 3 ОП и снимают отсчет по шкале 8. Затем, переместив диафрагму 9 в другое крайнее положение, вновь наводят нить 7 на сетку 3 и снимают отсчет. Разность отсчетов при двух положениях диафрагмы укажет на непараллельность пучка лучей, выходящего из коллиматора. Угловая чувствительность метода зависит от фокусного расстояния объектива и точности окулярного микрометра 5:

Aw" = 2-105-5//.

Если, к примеру, объектив зрительной трубы имеет /эт = 1000 мм, а отсчетная цена деления шкалы окулярного микрометра равна 10 мкм, то получим А^" = 2".

Ь - /

Продольная чувствительность способа в диоптрийной мере АМ =

5-106

диоптрий. В нашем примере при относительном отверстии объектива Л/=1:10, Ь = П/2 = 50 продольная чувствительность составит АМ = 0,05 диоптрий.

Контроль коллимированности пучка стереоскопическим способом

Стереоскопический способ контроля заключается в сравнении по глубине с помощью бинокулярного прибора изображений штриха коллиматора, образованного двумя пучками от двух зон объектива, с плоскостью измерительной марки. Как известно, человек невооруженным глазом может заметить несовмещение предметов по

глубине, если разность параллактических углов, под которым они видны, составляет величину не менее 10". При использовании бинокулярного прибора, обладающего увеличением Г, чувствительность повышается в Г раз. На этом свойстве бинокулярного зрения основано действие стереоскопических параллаксомеров.

Рис. 4. Схема параллаксомера с подвижной призмой

Схема одного из таких параллаксомеров с подвижной призмой приведена на рис. 4 [3]. Параллаксомер состоит из разделительной призмы 1, диафрагм 2, объективов 3, прямоугольных призм 4, подвижного клина 5, пластинок с марками 6, ромбических призм 7 и окуляров 8. Призма 1 подвижна вдоль оси пучка лучей, входящего в параллаксомер. Призму 1 устанавливают так, чтобы через диафрагмы 2 проходили пучки лучей от краевых зон выходного зрачка контролируемого прибора. При наличии параллакса между изображением сетки коллиматора и марки 6 (рис. 4, б) возникает смещение по глубине, которое устраняется подвижкой клина 5. При этом величина смещения изображения АУ при продольном перемещении клина 2 определяется выражением

АУ « 2

где п - показатель преломления стекла клина; а - угол клина. Механизм привода клина снабжен шкалой для отсчета величины параллакса.

Контроль с помощью обтюратора (визуально) или одноапертурного модулятора

Схема данного способа контроля приведена на рис. 5. Схема содержит сетку 3, осветитель 4 с рассеивателем 2, контролируемый объектив коллиматора 1, за которым располагается обтюратор 9, и зрительную трубу (поз. 5, 6) с окулярным микрометром (поз. 7, 8) для визуальной регистрации (либо объектив с фотоприемником для фотоэлектрической регистрации). Обтюратор представляет собой вращающийся диск с отверстием, диаметр которого равен примерно половине диаметра объектива, ось вращения его совпадает с осью объектива коллиматора 1. При наличии сходимости пучка лучей за объективом коллиматора вращение обтюратора приведет к колебанию изображения на сетке микрометра (либо на чувствительной площадке приемника).

Чувствительность глаз к колебанию изображения зависит от увеличения системы, с помощью которой ведется наблюдение, и составляет в угловой мере величину,

определяемую выражением АЖ = 10" / Г. Для фотоэлектрического способа регистрации чувствительность зависит от типа фотоприемника, например, для фотоприемника "Мультискан" в угловой мере чувствительность составит величину АЖ = 10" //об [рад]

= 20"//об.

Рис. 5. Коллимирование пучка лучей с помощью обтюратора

Для рассмотренного примера чувствительность составит АЖ = 0,02", что соответствует 0,0005 диоптрий.

Литература

Сухопаров С. А. Повышение точности измерений малых оптических сил // Известия вузов. Приборостроение. 1970. № 6. С. 67-72.

Сухопаров С. А. Приборы повышенной чувствительности для фокусировки оптических систем // ОМП. 1970. № 10. С. 24-27.

Сухопаров С.А. Стереоскопические способы фокусировки оптических систем // ОМП. 1970. № 12. С. 3-6.

Сухопаров С. А., Горлушкина Н.Н., Тимофеев А.Н. Повышение чувствительности индикации оптико"электронных прецизионных устройств автоматической фокусировки // Оптический журнал. 1994. № 9. С. 74-76.

Шульман М.Я. Автоматические системы фокусировки оптических систем. Л.: Машиностроение, 1990.

Мартин Л. Техническая оптика. М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1960.

1.

2.

3.

4.

5.

6.