АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
AUTOCOLLIMATING ANGLE-MEASURING DEVICE

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля и юстировки различных оптических деталей, сборок и приборов.
Известна автоколлимационная труба (Б.С. Гришин, «Юстировка сложных оптических систем приборов», Москва, «Машиностроение», 1976 г., стр.103, рис.49). Устройство содержит окуляр, элементы излучающего и наблюдательного каналов, совмещенные светоделительной плоскопараллельной пластиной, поворачивающей ход лучей излучающего канала на угол 90 градусов, причем, элемент излучающего канала - источник света, например, лампа накаливания, а элемент наблюдательного канала - это окуляр, и объектив, расположенный на одной оси с окуляром и выполненный из склеенных двояковыпуклой линзы и расположенного со стороны окуляра отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к окуляру, а также сетку, нанесенную на одну из поверхностей плоскопараллельной пластины, расположенную между объективом и светоделительной плоскопараллельной пластиной. Однако устройство содержит светоделительную плоскопараллельную пластину, установленную под углом 45 градусов к оптической оси окуляра в сходящемся пучке лучей, что снижает качество изображения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является автоколлимационная труба (Н.Т. Ельников, А.Ф. Дитев, И.К. Юрусов, «Сборка и юстировка оптико-механических приборов», Москва, «Машиностроение», 1974 г., стр.239, 240, рис.152). Устройство содержит излучающий и наблюдательные каналы, совмещенные светоделительной призмой, поворачивающей ход лучей излучающего канала на угол 90 градусов, объектив, входящий в излучающий канал, содержащий сетку с перекрестием, выполненную на поверхности плоскопараллельной пластины, подсвеченную источником света, например, лампой накаливания, и в наблюдательный канал, содержащий окуляр, выполненный из одиночной линзы и стоящую между ним и светоделительной призмой сетку, выполненную на поверхности плоскопараллельной пластины, причем объектив, расположен на одной оси с окуляром и выполнен из склеенных двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, расположенного со стороны окуляра и обращенного выпуклостью к последнему.
Устройство не позволяет с высокой точностью произвести измерения и юстировку контролируемых объектов т.к. для обнаружения подсвеченного перекрестия необходимо увеличивать фокусное расстояние объектива, и как следствие, видимое увеличение телескопической системы наблюдательного канала. Но при их увеличении уменьшается угловое поле зрения, что делает затруднительным (а часто и невозможным) наведение устройства на контролируемый или юстируемый объект, бывает невозможно видеть в окуляр, так как затруднительно поймать блик подсвеченного перекрестия излучающего канала от предмета. Однако для наведения устройства на контролируемый или юстированный объект, легко обнаружить подсвеченное перекрестие излучающего канала от предмета, если фокусное расстояние объектива, и как следствие, видимое увеличение телескопической системы наблюдательного канала уменьшены, но при этом уменьшается точность измерения и юстировки.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик устройства, позволяющих произвести легкое наведение и качественные измерения и юстировку контролируемого объекта.
Технический результат - создание автоколлимационного углоизмерительного устройства, с фокусным расстоянием объектива и видимым увеличением наблюдательного канала, пригодными для быстрой предварительной наводки на контролируемый или юстированный объект, и с большими фокусным расстоянием объектива и видимым увеличением наблюдательного канала, пригодным для качественной окончательной наводки на контролируемый или юстированный объект и высокой точности измерения и юстировки.
Это достигается тем, что в автоколлимационном углоизмерительном устройстве, содержащем излучающий и наблюдательный каналы, совмещенные светоделительной призмой, поворачивающей ход лучей излучающего канала на угол 90 градусов, объектив, входящий как в излучающий канал, содержащий сетку с перекрестием, выполненную на поверхности плоскопараллельной пластины и подсвеченную источником света, например, светодиодом, так и в наблюдательный канал, содержащий окуляр и стоящую между ним и светоделительной призмой вторую сетку, выполненную на поверхности второй плоскопараллельной пластины, причем объектив, расположен на одной оси с окуляром, в отличие от известного объектив выполнен с дискретным изменением фокусного расстояния за счет использования двух оптических элементов, расположенных последовательно на оптической оси, с возможностью вывода второго по ходу лучей наблюдательного канала оптического элемента из световых пучков лучей и при этом значение фокусного расстояния объектива при совместной работе двух оптических элементов, как минимум в два раза меньше, чем при работе первого оптического элемента с выведенным из световых пучков лучей вторым оптическим элементом, а каждый оптический элемент, выполнен из нескольких компонентов.
Кроме того, окуляр может быть выполнен из двух одинаковых компонентов, склеенных из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, и обращенных двояковыпуклыми линзами друг к другу.
Кроме того, первый оптический элемент объектива может состоять из двух компонентов - первый из которых выполнен склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и расположенным за ними положительным мениском, обращенным вогнутостью к окуляру, а второй компонент выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.
Кроме того, второй оптический элемент объектива может состоять из двух компонентов - первый из которых выполнен склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент выполнен из последовательно расположенных трех отдельных одиночных линз - двояковыпуклой, отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к окуляру и второй двояковыпуклой.
На фигуре представлена оптическая схема предложенного автоколлимационного углоизмерительного устройства.
Автоколлимационное углоизмерительное устройство (см. фиг.) состоит из элементов излучающего и наблюдательного каналов. Излучающий канала - сетка с перекрестием 1, выполненная на поверхности плоскопараллельной пластины, подсвеченным источником света, например светодиодом, причем, излучающий и наблюдательный каналы совмещены светоделительной призмой 2, поворачивающей ход лучей излучающего канала на угол 90 градусов. Наблюдательный канала - это окуляр 3, и стоящая между ним и светоделительной призмой вторая сетка 4, выполненная на поверхности второй плоскопараллельной пластины и объектив 5, расположенный на одной оси с окуляром. Объектив состоит из двух по ходу лучей наблюдательного канала оптических элементов - 6 и 7, расположенных последовательно на оптической оси, с возможностью вывода оптического элемента 7 из световых пучков лучей. Оптический элемент 6 состоит из двух компонентов - первого, выполненного склеенным из двояковыпуклой линзы 8 и двояковогнутой линзы 9 и расположенного за ними положительного мениска 10, обращенного вогнутостью к окуляру, а второй компонент выполнен склеенным из двояковогнутой линзы 11 и двояковыпуклой линзы 12. Оптический элемент 7 состоит из двух компонентов - первого, выполненного склеенным из двояковыпуклой линзы 13 и двояковогнутой линзы 14, а второй компонент выполнен последовательно из трех отдельных одиночных линз - двояковыпуклой 15, отрицательного мениска 16, обращенного вогнутостью к окуляру и двояковыпуклой линзы 17. Кроме того, между сеткой 1 и источником света может находиться рассеивающая плоскопараллельная пластина, например, с одной матированной поверхностью.
Предложенная оптическая система работает в два этапа: первый этап - предварительной наводки и второй - окончательной, точной наводки и снятия отсчета. На предварительном этапе прибор работает следующим образом. Перекрестие сетки 1, освещенное источником света, например светодиодом, проецируется светоделительной призмой 2 и объективом 5 в бесконечность (при этом оптический элемент 7 находится в световых пучках лучей объектива 5) и освещает контролируемый объект (не показан), например, плоское зеркало. Отраженные от контролируемого объекта световые пучки лучей проходят опять сквозь объектив 5 в обратном ходе лучей (при этом оптический элемент 7 находится в световых пучках лучей объектива 5), проходят через светоделительную призму 2 и фокусируются на сетке с делениями 4, а затем проходят через окуляр 3, создавая резкое изображение перекрестия 1 и сетки 4 для наблюдателя. Изображение перекрестия 1 выводится в центр поля зрения в сетке 4 путем разворота автоколлимационного углоизмерительного устройства или (и) контролируемого объекта. После этого производится окончательная, точная наводка предлагаемого устройства. Далее из световых пучков лучей объектива 5 выводится оптический элемент 7, благодаря чему значительно увеличивается фокусное расстояние объектива 5. Световые пучки лучей подсвечивают перекрестие сетки 1, которые проходят через светоделительную призму 2, объектив 5, а именно находящийся на оптической оси оптический элемент 6 (оптический элемент 7 выведен с оптической оси), подсвечивают контролируемый объект, отражаются от него и в обратном ходе проходят сквозь объектив 5 с выведенным оптическим элементом 7, светоделительную призму 2 и фокусируются на сетке 4 с делениями, которая рассматривается затем сквозь окуляр 3 наблюдателем. При увеличенном фокусном расстоянии объектива 5 значительно повышается точность отсчета положения изображения перекрестия сетки 1 в плоскости делений сетки 4, а при необходимости также повышается и точность юстировки положения контролируемого объекта, например, плоского зеркала.
В соответствии с предложенным решением рассчитано автоколлимационное углоизмерительное устройство, исправленное в спектральном диапазоне от 480 нм до 660 нм. Основная расчетная длина волны 546,07 нм.
Конструктивные параметры предлагаемого устройства при минимальном фокусном расстоянии объектива приведены в табл.1.
Конструктивные параметры предлагаемого устройства при максимальном фокусном расстоянии объектива приведены в табл.2.
Характеристики рассчитанного автоколлимационного углоизмерительного устройства при минимальном фокусном расстоянии объектива:
фокусное расстояние объектива
200,66 мм
видимое увеличение
11,8 крат
угловое поле в пространстве предметов
4 град.
удаление выходного зрачка
10 мм
диаметр выходного зрачка
4,2 мм
Характеристики того же устройства при максимальном фокусном расстоянии объектива:
фокусное расстояние объектива
750,08 мм
видимое увеличение
44,1 крат
угловое поле в пространстве предметов
1 град.
удаление выходного зрачка
10 мм
диаметр выходного зрачка
2,04 мм
В табл.3 приведены аберрации для длины волны 546,07 нм для автоколлимационного углоизмерительного устройства для видимого увеличения 11,8 крат.
В табл.4 приведены аберрации для длины волны 546,07 нм для того же устройства для видимого увеличения 44,1 крат.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Марка стекла
Показатель преломления, n<sub>e</sub>
Коэфф. дисперсии ν<sub>e</sub>
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=564,9
90
d<sub>1</sub>=12
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>2</sub>=-201,4
90
d<sub>2</sub>=8
ТФ107
1,734282
28,12
R<sub>3</sub>=926,8
90
d<sub>3</sub>=1
1
R<sub>4</sub>=159,22
90
d<sub>4</sub>=10
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>5</sub>=566,2
90
d<sub>5</sub>=217,7
1
R<sub>6</sub>=-93,11
45
d<sub>6</sub>=4
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>7</sub>=2831
45
d<sub>7</sub>=6,5
ТФ107
1,734282
28,12
R<sub>8</sub>=-185,78
45
-
d<sub>8</sub>=10,6
1
R<sub>9</sub>=131,83
21
d<sub>9</sub>=3,2
ТФ10
1,813767
25,17
R<sub>10</sub>=-120,78
21
d<sub>10</sub>=2,5
CTK19
1,747647
50,21
R<sub>11</sub>=42,17
21
d<sub>11</sub>=127,5
1
R<sub>12</sub>=452,9
45
d<sub>12</sub>=9,5
CTK19
1,747647
50,21
R<sub>13</sub>=-106,66
45
d<sub>13</sub>=1
1
Продолжение таблицы 1
R<sub>14</sub>=263,6
45
d<sub>14</sub>=3,5
ТФ10
1,813767
25,17
R<sub>15</sub>=51,4
45
d<sub>15</sub>=2,8
1
R<sub>16</sub>=55,46
45
d<sub>16</sub>=7,5
CTK19
1,747647
50,21
R<sub>17</sub>=-3802
45
d<sub>17</sub>=124,9
1
R<sub>18</sub>=∞
25
d<sub>18</sub>=27
K8
1,518294
63,83
R<sub>19</sub>=∞
23
d<sub>19</sub>=17
1
R<sub>20</sub>=∞
17
d<sub>20</sub>=2
БК10
1,571309
55,79
R<sub>21</sub>=∞
17
d<sub>21</sub>=11,1
1
R<sub>22</sub>=83,95
17,7
d<sub>22</sub>=1,2
ТФ1
1,652188
33,62
R<sub>23</sub>=18,365
17
d<sub>23</sub>=7
K8
1,518294
63,83
R<sub>24</sub>=-17,378
17
d<sub>24</sub>=1
1
R<sub>25</sub>=17,378
17
d<sub>25</sub>=7
K8
1,518294
63,83
R<sub>26</sub>=-18,365
17
d<sub>26</sub>=1,2
ТФ1
1,652188
33,62
R<sub>27</sub>=-83,95
17,7
1
Таблица 2
Радиусы, мм
Толщины, мм
Марка стекла
Показатель преломления, n<sub>e</sub>
Коэфф. дисперсии ν<sub>e</sub>
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=564,9
90
d<sub>1</sub>=12
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>2</sub>=-201,4
90
d<sub>2</sub>=8
ТФ107
1,734282
28,12
R<sub>3</sub>=926,8
90
d<sub>3</sub>=1
1
R<sub>4</sub>=159,22
90
d<sub>4</sub>=10
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>5</sub>=566,2
90
d<sub>5</sub>=217,7
1
R<sub>6</sub>=-93,11
45
d<sub>6</sub>=4
БФ25
1,610853
45,82
R<sub>7</sub>=2831
45
d<sub>7</sub>=6,5
ТФ107
1,734282
28,12
R<sub>8</sub>=-185,78
45
d<sub>8</sub>=293
1
R<sub>9</sub>=∞
25
d<sub>9</sub>=27
K8
1,518294
63,83
R<sub>10</sub>=∞
23
d<sub>10</sub>=17
1
R<sub>11</sub>=∞
17
d<sub>11</sub>=2
БК10
1,571309
55,79
R<sub>12</sub>=oo
17
d<sub>12</sub>=11,1
1
R<sub>13</sub>=83,95
17,7
d<sub>13</sub>=1,2
ТФ1
1,652188
33,62
R<sub>14</sub>=18,365
17
d<sub>14</sub>=7
K8
1,518294
63,83
R<sub>15</sub>=-17,378
17
d<sub>15</sub>=1
1
R<sub>16</sub>=17,378
17
d<sub>16</sub>=7
K8
1,518294
63,83
R<sub>17</sub>=-18,365
17
d<sub>17</sub>=1,2
ТФ1
1,652188
33,62
R<sub>18</sub>=-83,95
17,7
d<sub>13</sub>=1,2
1
Таблица 3
Вид аберрации
Предложенное устройство (не более)
Угловая сферическая аберрация для точки на оси
7'15''
Угловая аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W=4 град.
15'16''
Угловая аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W=4 град.
22'38''
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub> для углового поля в пространстве предметов 2W=4 град., диоптрий
-0,78
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub> для углового поля в пространстве предметов 2W=4 град., диоптрий
2,19
Дисторсия для углового поля в пространстве предметов 2W=4 град.
11%
Таблица 4
Вид аберрации
Предложенное устройство (не более)
Угловая сферическая аберрация для точки на оси
7'18''
Угловая аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W=1 град.
5'22''
Угловая аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W=1 град.
14'10''
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub> для углового поля в пространстве предметов 2W=1 град., диоптрий
1,83
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub> для углового поля в пространстве предметов 2W=1 град., диоптрий
2,84
Дисторсия для углового поля в пространстве предметов 2W=1 град.
9,4%
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создано автоколлимационное углоизмерительное устройство с фокусным расстоянием объектива и видимым увеличением наблюдательного канала, пригодными для быстрой предварительной наводки на контролируемый или юстированный объект, и с большими фокусным расстоянием объектива и видимым увеличением наблюдательного канала, пригодным для качественной окончательной наводки на контролируемый или юстированный объект и высокой точности измерения и юстировки.