АВТОКОЛЛИМАЦИОННАЯ ЦЕНТРИРОВОЧНАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использована для измерения децентрировки линз при их центрировании, а также измерении децентрировки линз в собранных объективах.
Известна автоколлимационная центрировочная труба Забелина [Белоглазов А.А., Орнис А.Н. Коллимационные и автоколлимационные устройства для контроля центрирования линз. ОМП, 1972, №10, С. 57-62], состоящая из источника света, размещенных по ходу луча в прямом ходе конденсора, светоделителя, марки в виде перекрестия, прорезанного в отражающем покрытии светоделителя, объектива, установленного с возможностью линейного осевого перемещения, и размещенных по ходу луча в обратном ходе объектива, светоделителя и микроскопа. Источник света через конденсор освещает марку. Объектив при помощи линейного перемещения устанавливается таким образом, чтобы марка проецировалась в центр кривизны поверхности контролируемой детали. В этом случае пучок света отражается от поверхности детали, проходит в обратном ходе объектив, отражается от покрытия светоделителя и попадает в микроскоп. Разделение освещающего и отраженного от детали пучков на светоделителе происходит за счет небольшого смещения с оси отраженного пучка. Положение изображения марки в поле зрения микроскопа зависит от децентрировки детали (смещение изображения пропорционально децентрировке) и увеличения системы объектив - микроскоп.
При достоинствах трубы Забелина, таких как высокая светосила, малые потери света и большой диапазон фокусировки, что позволяет применять ее для контроля широкой номенклатуры выпуклых и вогнутых, зеркальных и просветленных деталей, она имеет следующие недостатки:
- использование перемещения объектива для совмещения изображения марки с центром кривизны детали, что приводит к росту габаритов трубы (в реальных образцах перемещение объектива составляет приблизительно полтора фокусных расстояния),
- непрямолинейность ее визирной оси при перефокусировке объектива, что затрудняет ее использование, особенно при контроле объективов в сборе.
Для уменьшения погрешности от непрямолинейности визирной оси используют сложные объективы с внутренней фокусировкой, например, в визирной трубе ППС-11 [1], или используют для фокусировки призменные системы различного типа.
Известна автоколлимационная центрировочная труба, взятая нами в качестве прототипа [Белоглазов А.А., Орнис А.Н. Коллимационные и автоколлимационные устройства для контроля центрирования линз. ОМП, 1972, №10, С. 57-62], состоящая из источника света, размещенных по ходу луча конденсора, марки, светоделительного кубика, светоделителя, блока фокусировки в виде призмы, установленного с возможностью линейного осевого перемещения, опорного плоского зеркала, объектива, оптического микрометра, причем призменный блок расположен так, что предметная точка объектива совпадает с центром кривизны поверхности контролируемой детали, и размещенных в обратном ходе объектива, оптического микрометра, светоделительной пластины, призменного блока, опорного плоского зеркала, светоделительной пластины, светоделительного кубика, сетки и приемной системы в виде окуляра.
Это устройство работает следующим образом.
Источник света через конденсор освещает марку, прошедшие лучи отражаются от делительной поверхности светоделительного кубика, отражаются от светоделителя, и проходят призменный блок (призма БкР-180). После призменного блока пучки лучей отражаются от опорного плоского зеркала, возвращаются в призменный блок, проходят светоделитель, объектив, оптический микрометр, образуя изображение марки в плоскости центра кривизны контролируемой поверхности. Изображение марки, создаваемое объективом, призменным блоком, опорным плоским зеркалом, светоделителем и светоделительным кубиком переносится в плоскость сетки и наблюдается в окуляр. В поле окуляра появляется изображение марки, положение которой зависит от децентрировки детали и увеличения системы объектив - окуляр. Смещение изображения марки измеряется оптическим микрометром.
С одной стороны, данное решение сокращает габариты трубы (лучи проходят через призменный блок дважды) и повышает точность контроля за счет минимизации непрямолинейности визирной оси при перефокусировке за счет применения призменного блока. Однако такая труба не может быть сфокусирована на мнимое изображение предметной точки (расходящийся пучок на выходе объектива) при относительном отверстии выше 1:6-1:8 из-за большого оптического пути в призменном блоке.
Данный недостаток несущественен для визирных труб, которые создают действительное изображение марки, однако для центрировочных труб это приводит к ограничениям при контроле деталей с вогнутой поверхностью, так как в этом случае деталь приходится устанавливать в расходящемся пучке за предметной точкой объектива, что приводит к значительному увеличению габаритов схемы контроля с такой трубой и снижению точности контроля децентрировки из-за уменьшения апертуры объектива. Наличие в сходящемся пучке стеклянной призмы приводит также к появлению сферической аберрации, что в свою очередь снижает разрешение, возможную апертуру и точность трубы.
К существенным недостаткам также относится снижение точности контроля децентрировки просветленных деталей из-за большой потери света при многократном прохождении светоделителей.
Техническим эффектом заявляемого устройства является увеличение точности контроля децентрировки оптических деталей и уменьшение габаритов схем контроля вогнутых деталей.
Такой технический эффект достигнут, когда в автоколлимационной центрировочной трубе, включающей осветитель, размещенные на оптической оси в прямом ходе конденсор, марку, светоделитель, установленный с возможностью линейного осевого перемещения блок фокусировки, объектив и приемную систему, причем блок фокусировки расположен так, что предметная точка объектива совпадает с центром кривизны поверхности измеряемой детали, новым является то, что в трубе по ходу луча в прямом ходе после конденсора дополнительно установлена зеркальная система поворота излучения, выходное зеркало которой, марка и светоделитель размещены в центральной зоне объектива, а за светоделителем установлен блок фокусировки, выполненный в виде зеркального трехгранного уголкового отражателя, и объектив, а в обратном ходе - объектив, блок фокусировки, светоделитель, дополнительно установленные на оптической оси по ходу луча система переноса изображения, микрообъектив, зеркальная система поворота излучения и приемная система, выполненная в виде матричного приемника, при этом задний отрезок конденсора и передний отрезок системы переноса изображения выполнены более 1/2 величины диаметра объектива, а коэффициент экранирования объектива - не более 15%.
Такой технический результат достигнут за счет уменьшения потерь света из-за многократного прохождения светоделителей, исключения сферической аберрации, вносимой призменным блоком фокусировки, а также расширения диапазона фокусировки трубы в область мнимых изображений предметной точки за счет расположения марки перед объективом.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема автоколлимационной центрировочной трубы, где источник 1 света, конденсор 2, зеркальная система 3 и 4 поворота излучения, марка 5, светоделитель 6, блок фокусировки 7 в виде зеркального трехгранного уголкового отражателя, объектив 8, система 9 переноса изображения, микрообъектив 10, зеркальная система 11 поворота излучения, матричный приемник 12, контролируемая поверхность 13;
R - радиус кривизны поверхности детали;
направление перемещения блока фокусировки.
На фиг. 2а и 2б приведены габариты схем контроля вогнутой поверхности, иллюстрирующие тезис о важности возможности фокусировки трубы в область мнимого изображения предметной точки (2а - контроль вогнутой поверхности при мнимом изображении предметной точки, 2б - контроль вогнутой поверхности при действительном изображении предметной точки).
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
Источник 1 света при помощи конденсора 2 и зеркальных отражателей 3, 4 освещает марку 5. Затем пучок излучения проходит светоделитель 6, отражается от призменного блока 7, проходит объектив 8 и отражается от поверхности детали 13, расположенной так, что предметная точка объектива 8 совпадает с центром кривизны поверхности детали 13 (достигается перемещением всей трубы или перемещением блока фокусировки 7 в зависимости от радиуса кривизны детали 13). Отраженный пучок в обратном ходе проходит объектив 8, блок фокусировки 7 и отражается от светоделителя 6. Изображение марки 5 переносится системой 9 в предметную плоскость микрообъектива 10, затем разворачивается зеркальным отражателем 11 и с увеличением проецируется в плоскость матричного приемника 12.
Совместное использование зеркальной системы поворота излучения 3, 4 и системы переноса изображения 9 позволило расположить марку 5 и светоделитель 6 перед объективом 8, что уменьшило оптический ход от марки 5 до объектива 8 и позволило фокусировать объектив 8 в область мнимых изображений предметной точки. Такое техническое решение дает возможность повысить точность контроля децентрировки и уменьшить габариты схемы контроля вогнутых поверхностей. Выбор определенных значений заднего отрезка конденсора 2 и переднего отрезка системы переноса 9 исключило дополнительное экранирование рабочего пучка, которое в данном случае определяется размерами светоделителя 6.
Использование зеркального трехгранного уголкового отражателя уменьшило оптический ход в блоке фокусировки 7, что позволило дополнительно расширить пределы фокусировки, одновременно исключив сферическую аберрацию, что в итоге позволило повысить точность измерений децентрировки.
Потери света в предлагаемой трубе из-за наличия входного светоделителя 6 и небольшого центрального экранирования объектива 8 составляют порядка 80%, тогда как в прототипе превышают 98%. Снижение потерь увеличивает точность контроля децентрировки просветленных поверхностей.
По схеме (см. фиг. 1) создан макет центрировочной трубы. Фокусное расстояние объектива 8 f=400 мм, световой диаметр объектива d=80 мм. В качестве источника 1 света использовался полупроводниковый лазер видимого диапазона (λ=635 мкм), в качестве блока 7 фокусировки использовался зеркальный трехгранный уголковый отражатель точностью 2 угл. сек.. Система 9 переноса изображения имела увеличение K=1 и передний отрезок S=50 мм, задний отрезок конденсора 2 составлял S=90 мм, микрообъектив имел увеличение 20 крат, фотоприемником служила цифровая матрица формата 6,4×5,2 мм. Марка 5 выполнена фотолитографическим способом в виде перекрестия, в качестве светоделителя 6 использовался кубик с размером грани 8 мм.
Перемещение блока фокусировки 7 осуществлялось относительно фокальной точки объектива 8 на 300 мм. к объективу, что соответствует изменению положения предметной точки объектива от +800 мм до ∞, и от ∞ до минус 200 мм.
Использование конденсора 2 и системы переноса 9 с указанными параметрами позволило минимизировать потери света от экранирования объектива 8, которое в данном случае определяется только размерами светоделителя 6. При указанном размере светоделительного кубика коэффициент экранирования не превышает 15%.
Отражательный элемент 4, марка 5 и светоделитель 6 выполнены в виде единой сборки, отцентрированы относительно оси объектива 8 и приклеены в центральной зоне к линзе объектива 8. Благодаря такому размещению марки 5 значительно расширен диапазон фокусировки трубы в область мнимых изображений предметной точки, что позволяет с большей точностью контролировать вогнутые поверхности, и уменьшает габариты схемы контроля. Это решение позволило также до минимума сократить потери света за счет исключения четырехпроходного светоделителя и повысить точность при контроле просветленных деталей.
Отражательные элементы 3 и 12 применены для уменьшения габаритов системы.
Чувствительность трубы к децентрировке составила менее 1 мкм.
Предлагается использование предложенной автоколлимационной центрировочной трубы при изготовлении высококачественных объективов различного спектрального диапазона.
Литература:
1. Афанасьев В.А., Усов B.C. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М., Недра, 1973, 149 с.