Контроль объективов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТИВОВ»

МИНСК, 2008

1. Предварительные сведения

Перечень контролируемых параметров:

фокусное расстояние; -

задний вершинный отрезок;

предел разрешения;

частотно-контрастная характеристика (ЧКХ);

коэффициент светопропускания;

коэффициент светорассеяния.

Условия проведения измерений:

температура окружающей среды, °С 20 ± 5 .

относительная влажность, %, не более 80

освещенность в помещении, лк, не более 20

Подготовка к измерениям. Перед началом измерений необходимо убедиться в том, что оптические детали объектива надежно закреплены. Для этого надо встряхнуть объектив. При этом не должно быть дребезжания деталей в корпусе объектива.

Наружные поверхности объектива должны быть очищены от жировых налетов и пыли. Для чистки наружных оптических поверхностей объектива используют обезжиренные батистовые салфетки НО 2780-58, смоченные смесью петролейного эфира ТУ 37-57/635-57 с этиловым спиртом ГОСТ 5962 67 в соотношении:

петролейный эфир 85-90 частей;

этиловый спирт 10-15 частей.

2. Измерение фокусного расстояния по методу увеличения

Принцип измерения. Измерение фокусного расстояния по методу увеличения основано на определении размера Y1 образуемого испытуемым объективом изображения тест-объекта, помещенного в фокальной плоскости объектива коллиматора. Размер Y тест-объекта и фокусное расстояние объектива коллиматора должны быть известны с точностью до 0,002 мм и 0,1% соответственно.

Аппаратура. Аппаратура для измерения фокусного расстояния объектива по методу увеличения (рис. 1) состоит из следующих компонентов:

· объектива коллиматора, в фокальной плоскости которого помещен тест-объект;

· осветителя, включающего в себя источник света, конденсор и матовое стекло;

· горизонтального микроскопа с окулярным микрометром типа MOB (микроскоп-микрометра).

Фокусное расстояние объектива коллиматора должно не ме-нее, чем в пять раз превышать фокусное расстояние испытуемого объектива, а световой диаметр его должен быть больше диаметра входного отверстия испытуемого объектива. Цену де-ления микроскоп-микрометра необходимо предварительно оп-ределить с помощью объект-микрометра (см. приложение 1).

Увеличение микроскопа Г берут в пределах

500А <Г< 1000А,

где А - апертура микрообъектива.

Рис. 1. Схема установки для измерения фокусного расстояния объектива;

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - матовое стекло; 4 - предмет (тест-объект); 5 - объектив коллиматора; 6 - испытуемый объектив; 7 - окулярный микрометр; 8 - микроскоп;

Проведение измерений. Коллиматор с тест - объектом, испытуемый объектив и микроскоп-микрометр устанавливают на оптической скамье на одной оси и закрепляют. Обычно в качестве тест-объекта выбирают расстояние между базовыми штрихами миры ГОИ ГОСТ 15114-78. Номер миры ГОИ выбирают таким образом, чтобы изображение интервала между базовыми штрихами (см. табл. 1) занимало почти все поле зрения микроскопа (в пределах оцифрованной части неподвижной шкалы окулярного микрометра).

Таблица 1

Фокусируют микроскоп на четкое изображение тест-объекта, после чего, не сдвигая микроскоп, последовательно совмещают перекрестие шкалы окулярного микрометра с изображением базовых штрихов миры. Отсчеты берут сначала по оцифрованной шкале микрометра, а затем по барабанчику. Измерения повторяют не менее трех раз и вычисляют среднее арифметическое значение разности полученных отсчетов.

Расстояние вычисляют по формуле

, (1)

где С - цена деления микроскоп-микрометра.

Обработка результатов измерений. Значение фокусного расстояния испытуемого объектива вычисляют по формуле

, (2)

где - фокусное расстояние объектива коллиматора; Y -расстояние между базовыми штрихами миры ГОИ.

Погрешность измерения фокусного расстояния объектива указанным методом не превышает 0,5%.

3. Измерение заднего вершинного отрезка объектива

Принцип метода. Принцип метода состоит в измерении расстоя-ния от вершины последней поверхности испытуемого объектива до фокальной плоскости.

Аппаратура. Измерение заднего вершинного отрезка объектива проводится на той же аппаратуре, что и измерение фокусного расстояния объектива (см. рис. 1).

Апертура микрообъектива микроскопа должна быть не меньше апертуры испытуемого объектива.

Проведение измерений. Микроскоп наводят на четкое изображение тест-объекта (штриховой миры ГОИ) и берут отсчет I по шкале направляющих оптической скамьи с помощью нониуса (рис. 2). Наведения повторяют не менее пяти раз и вычисляют среднее арифметическое значение отсчета I.

Не меняя фокусировку микроскопа, смещают его по направляющим оптической скамьи до получения четкого изображения наружной оптической поверхности испытуемого объектива, для чего эту поверхность посыпают порошком мела или пудрой. Берут отсчет II по шкале направляющих оптической скамьи с помощью нониуса. Наведения повторяют не менее пяти раз и вычисляют среднее арифметическое значение отсчета II.

Рис. 2. Схема установки для измерения заднего вершинного отрезка объектива:

1 - коллиматор; 2 - испытуемый объектив; 3 - микроскоп; 4 - нониус, связанный с держателем микроскопа; 5 - шкала направляющих оптической скамьи;

Обработка результатов измерений. Величина заднего отрезка объектива определяется как разность средних значений отсчетов I и II.

Погрешность определения заднего вершинного отрезка объектива не превышает 1%.

4. Измерение предела разрешения объектива

Принцип измерения. Состоит в определении наибольшего числа штрихов в одном миллиметре изображения штриховой миры, формируемого испытуемым объективом, которые еще наблюдаются раздельно по четырем направлениям при оптимальной яркости изображения и полезном увеличении наблюдательного микроскопа.

Измерения проводятся для центра поля зрения объектива и для заданного в технической документации угла поля зрения.

Аппаратура. Для определения предела разрешения используется аппаратура, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Апертура микрообъектива микроскопа, в который ведется наблюдение, должна быть не меньше апертуры испытуемого объектива. Увеличение микроскопа Г должно удовлетворять условию

500А <Г<1000А,

где А - апертура микрообъектива.

Коэффициенты передачи контраста объектива коллиматора в рабочем спектральном диапазоне испытуемого объектива должны быть не менее:

на частоте 5 штр/мм………………………… 0,85;

на частоте 10 штр/мм…………………………0,7;

на частоте 15 штр/мм…………………………0,5.

Подготовка к измерениям. В фокальной плоскости объектива коллиматора устанавливают штриховую миру ГОИ ГОСТ 15114-78.

Для измерения предела разрешения объектива в центре поля зрения коллиматор, испытуемый объектив и микроскоп устанавливают соосно.

Для измерения предела разрешения для заданного угла поля зрения объектив поворачивают вокруг вертикальной оси на указанный угол. На тот же угол разворачивают и микроскоп.

Проведение измерений. Микроскоп фокусируют на четкое изображение штрихов миры. Перемещаясь от более крупных штрихов к мелким, определяют номер элемента миры, в пределах которого все направления штрихов еще видны раздельно.

Обработка результатов измерений. По номеру миры ГОИ и номеру разрешаемого элемента, пользуясь ГОСТ 15114-78 (а также таблицей, приведенной в приложении 2), определяют число штрихов в 1 мм разрешаемого элемента в плоскости миры. Разрешающую способность , штр/мм, испытуемого объектива вычисляют по формуле

, (3)

где - фокусное расстояние объектива коллиматора; - фокусное расстояние испытуемого объектива.

Погрешность измерения предела разрешения не превы-шает 6%.

Сделать заключение об аберрациях или необходимых исправлениях объектива только на основании измерения разрешающей способности невозможно. Испытания по дифракционной точке или по искусственной «звезде», несмотря на их субъективный характер, могут дать приблизительную оценку аберраций и качества изготовления и сборки объектива.

5. Оценка качества изображения объектива по дифракционной точке

Принцип метода. Метод основан на рассматривании в монохроматическом свете увеличенного изображения светящейся точки и сравнении полученного изображения с изображением, создаваемым эталонным объективом, или схематическим рисунком дифракционной картины, искаженной аберрациями [2].

За эталонный объектив принимается объектив, соответствующий расчету с допустимыми отклонениями, согласованными в установленном порядке.

По изображению точки можно определить наличие следующих аберраций: сферической, астигматизма, комы, кривизны поверхности изображения, а также наличие местных ошибок оптических поверхностей, натяжений в стекле и децентрировки линз.

Аппаратура. Оценка качества объектива по виду изображения точки должна производиться на оптической скамье по схеме, приведенной на рис. 3.

Апертурный угол конденсора в пространстве изображений должен быть больше или равен апертуре объектива коллиматора.

Рис. 3. Схема установки для оценки качества изображения объектива по дифракционной точке:

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - светофильтр; 4 - диафрагма с точечным отверстием; 5 - объектив коллиматора; 6 - испытуемый объектив; 7 - микроскоп с окулярным микрометром;

Волновая аберрация объектива коллиматора должна быть не более 0,1 в области зрачка с диаметром, равным диаметру зрачка испытуемого объектива, где - длина волны монохро-матического света, в котором производится исследование. Све-товой диаметр объектива коллиматора должен превышать све-товой диаметр испытуемого объектива не менее, чем на 20%.

Апертура микрообъектива микроскопа должна быть больше или равна выходной апертуре испытуемого объектива.

Подготовка к исследованию изображения точки. В фокальной плоскости объектива коллиматора устанавливают диафрагму с круглым точечным отверстием, диаметр которого определяют по формуле

, (4)

где d - диаметр отверстия в диафрагме, мм; - фокусное расстояние объектива коллиматора, мм; - длина волны монохроматического света, мм; D - диаметр входного зрачка испытуемого объектива, мм.

Увеличение микроскопа Г выбирают таким, чтобы ядро дифракционного изображения точки было видно под углом не менее 0,25°.

Увеличение Г следует рассчитывать по формуле

, (5)

где к = 0,5 мм; - фокусное расстояние испытуемого объектива, мм. Светофильтр, устанавливаемый перед точечной диафрагмой, должен соответствовать длине волны, для которой выполнен основной оптический расчет испытуемого объектива.

Проведение визуального исследования. Микроскоп перемещают вдоль оптической оси и добиваются резкого изображения пятна рассеяния точки. Если аберрации испытуемого объектива малы и не превышают 0,25, то изображение точки представляет собой дифракционную картину: яркое ядро, окруженное чередующимися темными и светлыми кольцами.

При наличии сферической аберрации более 0,25 яркость первого, второго и последующих светлых колец возрастает, а яркость центрального ядра уменьшается. При расфокусировке микроскопа на одинаковые расстояния от плоскости, в которой пятно рассеяния имеет минимальные размеры, наблюдается значительное наподобие распределения энергии от центра к краю в обоих изображениях расфокусированного пятна рассеяния.

Разрывы колец как в сфокусированном, так и в расфокуси-рованном изображениях, деформация колец и ядра, слияние ядра и частей светлого кольца свидетельствуют о пережатии оптических деталей в своих оправах, местных ошибках опти-ческих поверхностей, неоднородности стекла.

При наличии децентрировки оптических деталей в изображении точки наблюдаются одновременно и кома, и астигматизм. Незначительный астигматизм в центре поля зрения легко обнаруживается в расфокусированном изображении точки: фигура рассеяния принимает форму овала. Перефокусировка изображения приводит к повороту большой оси овала на 90°.

Зарисовывают изображение точки.

С помощью окулярного микрометра измеряют диаметр ядра изображения точки, если оно обладает центральной симмет-рией, или наибольший и наименьший его размеры.

Обработка результатов. Сравнивают зарисовку изображения точки с одной из схем, приведенных на рис. 4, и делают заключение о характере ошибок сборки и юстировки объектива.

Рис. 4. Схематическое изображение дифракционной точки.(слева-направо)

1. Изображение точки, создаваемое безаберрационным объективом

2. Расфокусированной изображение точки, создаваемое безаберрационным объективом (за фокусом и до фокуса)

3. Расфокусированное изображение точки при астигматизма

4. Изображение точки при наличии астигматизма

5. Изображение точки при наличии комы

6. Изображение точки при наличии сферической оберации

7. Изображение точки при наличии пережатия линзы в оправе.

8. Расфокусированное изображение точки при наличии свилей в стекле

Сравнивают результаты измерений с результатами, полученными с эталонным объективом или с расчетными размерами аберрационной фигуры рассеяния.

6. Измерение коэффициента светопропускания объектива

Принцип метода. Принцип метода состоит в измерении светового потока, прошедшего через испытуемый объектив, и светового потока, падающего на объектив, с последующим вычислением отношения этих потоков [4].

Аппаратура. Измерение коэффициента светопропускания объектива может быть произведено на установке, функциональная схема которой показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема установки для измерения коэффициента светопропускания объектива:

1 -источник света; 2-конденсор; 3-диафрагма; 4-объективколлиматора; 5 - ирисовая диафрагма; 6 - светофильтр; 7 - ограничительная диафрагма; . 8 - приемник излучения; 9 - испытуемый объектив; 10 - измерительный прибор;

В качестве источника света рекомендуется применять лам-пу РН-12-100. Лампа должна работать в режиме источника света с цветовой температурой 2860К по ГОСТ 7721-89. Кон-денсор 2 должен проектировать изображение источника све-та в плоскость отверстия диафрагмы 3. Рекомендуемый диаметр отверстия диафрагмы 3 - не более 0,01 фокусного расстояния объектива коллиматора. Диафрагма 5, служащая для ограни-чения диаметра пучка лучей, направляемого во входное отвер-стие испытуемого объектива 9, помещается вблизи объектива коллиматора. Приемник излучения 8 должен быть снабжен набором сменных диафрагм для ограничения рабочей площа-ди светочувствительного слоя и защиты его от попадания по-стороннего рассеянного света.

Приемник излучения должен иметь установочные перемещения вдоль оптической оси испытуемого объектива и в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Положение приемника излучения при установке перед испытуемым объективом и за ним должно быть воспроизводимо. Спектральная чувствительность приемника излучения должна максимально приближаться к спектральной чувствительности фотокатода ЭОП, с которым предназначен работать испытуемый объектив.

Питание источника света и приемника излучения должно быть стабилизировано так, чтобы нестабильность отсчета по измерительному прибору не превышала ±1%. Ток источника питания лампы должен измеряться амперметром класса точности 0,2. Класс точности измерительного прибора, регистрирующего сигнал приемника излучения, должен быть не ниже 1,5. При использовании цифровых измерительных приборов предел измерений должен быть выбран так, чтобы значащими были не менее трех разрядов измерительного прибора.

Система «приемник излучения - измерительный прибор» должна быть линейна в диапазоне изменения измеряемого сигнала. Отступление от линейности не должно превышать 2%. Если нелинейность превышает 2%, то необходимо составить таблицу или график поправок (см. приложение 3) и в формулу для определения коэффициента пропускания ввести соответствующие поправки.

При измерениях интегрального коэффициента светопропускания объектива светофильтр, выделяющий рабочую область спектра, для которой выполнен основной расчет объектива, может быть установлен за источником

излучения или вблизи диафрагмы, ограничивающей пучок лучей.

При измерении спектрального коэффициента светопропускания объектива выделение монохроматического по-тока может быть произведено при помощи монохроматора или узкополосного светофильтра. При использовании интерференционных светофильтров рекомендуется уста-навливать их в параллельном пучке лучей. В этом случае необходимо устранить побочные максимумы пропускания светофильтров в области чувствительности приемника;

Проведение измерений. Устанавливают испытуемый объектив так, чтобы входное отверстие объектива было обращено к объективу коллиматора. Диаметр диафрагмы 5 должен быть меньше диаметра входного зрачка испытуемого объектива. Проходящий через объектив пучок лучей не должен срезаться никакой другой диафрагмой. Приемник излучения 8 с диафрагмой 7 устанавливают между входным отверстием испытуемого объектива и объективом коллиматора перпендикулярно пучку лучей, входящему в испытуемый объектив. Расстояние между последней поверхностью объектива коллиматора и поверхностью приемника излучения должно быть не менее 250 мм. Ирисовой диафрагмой 5 добиваются того, чтобы световое пятно точно вписывалось в диафрагму 7. Размер диафрагмы 5 не меняется при последующих операциях. По шкале измерительного прибора снимают отсчет , пропорциональный потоку излучения, вошедшему в испытуемый объектив. Затем перекрывают пучок лучей непосредственно за объективом коллиматора непрозрачным экраном и по шкале измерительного прибора снимают отсчет , пропорциональный засветке приемника излучения посторонним светом.

Устанавливают приемник излучения за испытуемым объективом, перпендикулярно к центральному лучу пучка, выходящего из объектива. Перемещением приемника: излучения с диафрагмой 7 вдоль пучка лучей устанавливают его в такое положение, при котором диаметр светового пятна на диафрагме будет точно вписываться в отверстие диафрагмы. По шкале измерительного прибора снимают отсчет , пропорциональный потоку излучения, прошедшему через испытуемый объектив. Затем перекрывают пучок лучей непрозрачным экраном непосредственно за объективом коллиматора и по шкале измерительного прибора снимают отсчет , пропорциональный засветке приемника излучения посторонним светом.

Примечание. Если невозможно получить равные по пло-щади освещенные поверхности приемника излучения с испытуемым объективом и без него, то необходимо при-емник излучения встроить в фотометрический шар (по-ложение приемника излучения относительно входного отверстия фотометрического шара должно быть таким. чтобы на его чувствительную площадку не попадал пря-мой поток излучения). Плоскость входного отверстия фотометрического шара должна быть установлена пер-пендикулярно центральному лучу пучка, входящего в шар.

Измерения повторить не менее пяти раз.

Обработка результатов измерений. Определяют средние арифметические значения отсчетов , , , . Значение коэффициента светопропускания объектива вычисляют по формуле

, (11)

где - поправки на нелинейность системы «приемник излучения - измерительный прибор» для отсчетов и соответственно.

Величина коэффициента светопропускания может быть выражена в процентах.

Абсолютная погрешность измерения коэффициента светопропус-кания по указанной методике не превышает ±0,02 при 0,1.

Примечание. При измерении коэффициента светопропускания может быть использован модулированный или немодулированный поток излучения. Модулятор должен обеспечивать 100%-ную модуляцию потока излучения.

7. Измерение коэффициента светорассеяния объектива

Принцип измерения. Измерение коэффициента светорассеяния основано на сравнении освещенности в изображении черного предмета и белого фона, на котором этот предмет находится [5].

Аппаратура. Установка для измерения коэффициента светорассеяния (рис.7) состоит из:

фотометрического шара;

источника света;

объектива коллиматора;

абсолютно черного тела;

фотоприемника;

измерительного прибора;

набора сменных пробок.

Фотометрический шар должен иметь диаметр в 12 - 20 раз превышающий диаметр входного отверстия испытуемого объектива. Внутренняя поверхность шара должна быть окрашена белой матовой краской с коэффициентом отражения, близким к единице.

Рис. 7. Схема установки для измерения светорассеяния объектива:

- абсолютно черное тело (колпак, оклеенный внутри черным бархатом);

- сменные пробки; 3 - фотометрический шар; 4 - объектив коллиматора;
5 - испытуемый объектив; 6 - ирисовая диафрагма; 7 - фотоприемник;

8 - осветительные лампы

Один из рецептов приготовления краски, рекомендуемый ВНИИМ, следующий:

1. Серно-бариевая соль - 1000 весовых частей;

2. Ацетон чистый - 1310 весовых частей;

3. Ацетил-целлюлоза (растворимая в ацетоне)-26 весовых частей;

Подробно технология окраски шара изложена в ГОСТ17616 -82, приложение 3.

Источником света, освещающим внутреннюю поверхность шара, являются лампы накаливания в количестве 2-6 шт. мощностью 50 Вт, помещенные в специальных гнездах за пределами освещаемой сферы. Неравномерность яркости внутренней поверхности шара допускается в пределах + 5%.

Питание ламп осуществляется от осветительной сети с применением стабилизации напряжения. Нестабильность отсчета по измерительному прибору не должна превышать ±1 %.

Объектив коллиматора типа ахромат должен быть просветлен и иметь фокусное расстояние, приблизительно равное диаметру шара, и световой диаметр, превышающий диаметр входного отверстия испытуемого объектива. Светорассеяние коллиматорного объектива должно быть минимальным.

Набор сменных пробок состоит из одной сплошной пробки и нескольких кольцевых с отверстиями разных размеров. Проб-ки должны быть окрашены: спереди белой матовой краской, с оборотной стороны и внутри отверстия - черной краской.

Приемник излучения должен иметь спектральную характеристику, максимально приближенную к спектральной характеристике фотокатода ЭОП, с которым предназначен работать испытуемый объектив.

Система «приемник излучения - измерительный прибор» должна быть проверена на линейность (см. приложение 3).

Класс точности измерительного прибора, регистрирующего сигнал приемника излучения, должен быть не ниже 1,5. При использовании цифровых измерительных приборов предел измерений следует выбрать так, чтобы значащими были не менее трех разрядов измерительного прибора.

Проведение измерений. Измерения проводятся в полностью затемненном помещении. Перед началом измерений проверяется чистота наружных линз коллиматорного и испытуемого объективов.

В отверстие шара перед черным колпаком вставляют пробку с отверстием, диаметр которого D определяют экспериментально следующим образом: находят диаметр черного предмета, дальнейшее уменьшение которого уже не приводит к увеличению коэффициента светорассеяния испытуемого объектива. Испытуемый объектив устанавливают соосно объективу коллиматора, возможно ближе к нему. Не менее, чем за 5 мин до снятия отсчета, на осветительные лампы через стабилизатор подается полное рабочее напряжение.

Диаметр d отверстия диафрагмы 6 перед приемником излучения вычисляют по формуле

,(12)

где D - диаметр отверстия пробки; - фокусное расстояние испытуемого объектива; - фокусное расстояние объекти-ва коллиматора. Кроме того, диаметр d должен быть меньше диаметра чувствительной площадки приемника излучения.

Приемник излучения с ограничительной диафрагмой устанавливают в плоскости образуемого испытуемым объективом изображения черного предмета. Показание измерительного прибора в этом случае пропорционально освещенности в изображении черного предмета. Пробку с отверстием заменяют сплошной белой пробкой, окрашенной той же краской, что и внутренняя поверхность шара, и, не меняя положения испытуемого объектива и приемника излучения, берут второе показание измерительного прибора, пропорциональное освещенности в изображении белого фона. Указанные измерения повторяют 3-5 раз и находят средние арифметические значения , .

Заслонкой перекрывают световой пучок после объектива коллиматора и снимают «темновой» отсчет .

Обработка результатов измерений. Значение коэффициен-та светорассеяния вычисляют по формуле

, (13)

где - коэффициент светорассеяния объектива коллиматора; - поправки на нелинейность системы «приемник излучения - измерительный прибор» для отсчетов и соответственно (см. приложение 3).

При указании результатов измерений должен быть отме-чен угловой размер черного предмета, с которым проводи-лись измерения.

Относительная погрешность измерения коэффициента светорассеяния при сохранении неизменными условий измерений не превышает 5%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и оптических систем. М. Логос, 2000. - 581 с.

2. Прикладная оптика под редакцией Дубовика А.С Машиностроение, 2002. - 470 с.

3. Справочник технолога-оптика под редакцией М.А. Окатова, Политехника Санкт-Петербург, 2004. - 679 с.