Разработка и исследование аппаратуры для измерения основных характеристик оптических систем и приборов.

Под воздействием естественного процесса развития науки и техники сложилась традиционная технология измерения характеристик оптических систем и приборов, используемая в оптическом производстве. Эта технология основывается на малопроизводительных, громоздких оптических приборах визуального типа, часто невысокой степени точности. Традиционная технология не отвечает современным требованиям в области измерений.

Является очевидной сложная, разветвленная структура изготовления оптического прибора, на каждом этапе производства которого необходимо измерение определенных характеристик компонентов, для получения, в конечном счете, прибора с заданными техническими параметрами. В некоторых случаях необходим стопроцентный контроль деталей и изделий, но в условиях массового производства это требование не выполнимо при существующих методах контроля или приводит к непомерному росту себестоимости прибора, что противоречит современным требованиям производства.

Разработаны принципиальные оптические схемы ряда устройств нового типа для измерения различных характеристик оптических систем и приборов, алгоритм обработки результата измерения и предложена методика выбора конструктивных параметров этих устройств.

Особое внимание уделено оптическим приборам медицинского направления, используемым в офтальмологии.

На основании теоретических положений разработано и изготовлено оптико-электронное устройство для измерения фокусных расстояний фотообъективов.

Из широкого спектра оптических измерительных задач выделено два направления: измерение радиусов кривизны оптических сферических поверхностей и измерение фокусных расстояний оптических систем.

Установлено, что нет универсального автоматического метода измерения радиусов кривизны сферических поверхностей в широком диапазоне определяемой величины при малой погрешности полученного результата. Немногие из методов обладают высокой точностью измерения (от 0,01 до 0,5 % в зависимости от величины измеряемого радиуса), однако диапазон измеряемых радиусов для каждого метода ограничен. Все устройства предполагают использование подвижных элементов, величина перемещения которых значительна и может равняться величине измеряемого радиуса, что естественно, нельзя отнести к достоинствам. Наиболее универсальным можно считать механический метод измерения (сферометр ИЗС-7), однако он предполагает использование сменного элемента – опорного кольца; кроме того, этот метод контактный, а сам прибор не автоматический и сложен по конструкции. Измерения косвенные и вычисления радиуса кривизны снижают производительность измерений.

Во всех случаях, за исключением лазерного метода измерения больших радиусов кривизны сферических поверхностей, результаты измерений носят субъективный характер, в силу визуального метода снятия отсчетов.

В устройствах для измерения фокусных расстояний выявляются практически те же недостатки, что и в устройствах для измерения радиусов кривизны, а именно: в большинстве случаев субъективный характер полученных результатов, наличие подвижных элементов, узкий диапазон измеряемых величин (иногда невозможность измерения фокусных расстояний отрицательных систем).

Таким образом, в практике оптического приборостроения в настоящее время чаще используются низкопроизводительные методы измерения средней степени точности (от 0,4 до 1%), визуальный тип которых не позволяет использование их в автоматизированных контрольно-разбраковочных комплексах.

В связи с этим актуальной является проблема создания оптических измерительных приборов отвечающих современным требованиям. В частности, функции измерения фокусных расстояний и радиусов кривизны оптических деталей должны выполнятся единым измерительным устройством, полезным в цехах оптического производства при контроле больших партий линз. Этот прибор должен обеспечивать высокую точность измерений в широком диапазоне измеряемых величин вне зависимости от их знака. Измерения должны проводиться в автоматическом режиме, результат которых не должен зависеть от психофизиологического состояния оператора. Прибор не должен быть сложным по конструкции и мог бы легко встраиваться в контрольно-разбраковочные комплексы, состоящие из устройств для измерения и контроля других параметров оптических деталей и оптических приборов.

Новая элементная база в области электроники позволяет автоматизировать процесс наведения на объект, определения величины перемещения подвижных частей приборов или величины перемещения оптического луча и проведение необходимых вычислений по заданной программе с выдачей окончательных или промежуточных значений на цифровое табло или устройство цифропечати.

Важным преимуществом автоматических контрольно-измерительных приборов является возможность встраивания их в автоматические контрольно-измерительные и контрольно-разбраковочные комплексы.

На базе линейных функций [1] разработан метод измерения фокусных расстояний в двух плоскостях перпендикулярных оптической оси при известном расстоянии между ними l (рис. 1).

Рис. 1 - Принципиальная схема устройства с двумя измерительными плоскостями: 1 - непрозрачный экран с параллельными щелями; 2 - исследуемая оптическая система; I - первая измерительная плоскость; II - вторая измерительная плоскость

Построена математическая модель устройства для измерения фокусных расстояний и выведена формула, связывающая высоту падения узкого пучка лучей на исследуемую оптическую систему, расстояние между измерительными плоскостями и разность координат прохождения пучка лучей в двух измерительных плоскостях.

Предложена методика определения конструктивных параметров устройств, предназначенных для определения фокусных расстояний (возможно и аберраций) силовых оптических систем. При этом начальным условием является относительная погрешность измерения и диапазон фокусных расстояний контролируемых систем. Параметры определяются в последовательности:

1) при заданной относительной погрешности

измерения фокусного расстояния вычисляется минимальное значение ymin, при котором обеспечивается необходимая точность измерений

2) определяется высота падения луча a, с учетом влияния сферической аберрации;

3) вычисляется расстояние l между измерительными плоскостями в зависимости от предполагаемой максимальной величины фокусного расстояния исследуемой системы f 'max

Как показывают результаты анализа, предложенная методика измерения с использованием двух измерительных плоскостей дает возможность существенно упростить конструкцию и уменьшить габариты установки при требуемой точности измерения, так как:

- нет необходимости базироваться на заднюю главную точку исследуемой системы;

- нет необходимости совмещать какое-либо отсчетное устройство с точкой заднего фокуса исследуемой системы;

- нет необходимости во вспомогательном объективе.

Основываясь на теоретических выводах предлагаются варианты схемных решений ряда оптических измерительных задач: измерения фокусных расстояний, радиусов кривизны оптических поверхностей, задней вершинной рефракции очковых линз и межзрачкового расстояния очков. Все устройства обладают повышенной точностью измерения и удобством эксплуатации.

Детально рассмотрена возможность создания фокометра основанного на принципе двух измерительных плоскостей (рис. 2). Плоскости образуются при помощи стеклянной плоскопараллельной пластины. Известно, что такая пластина удлиняет ход луча света по отношению к ходу луча в воздухе. Это расстояние является расстоянием l между измерительными плоскостями (2). Фокусное расстояние вычисляется по формуле

Рис. 2 - Схема фокометра с подвижным ФПУ: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - щелевая диафрагма; 4 - объектив коллиматора; 5 - непрозрачный экран с параллельными щелями; 6 - исследуемая оптическая система; 7 - стеклянная плоскопараллельная пластина; 8 - каретка, перемещающаяся вдоль ребра плоскопараллельной пластины; 9 - ФПУ; 10 - блок обработки сигнала; 11 - датчик линейных перемещений; 12 - блок индикации; 13 - блок цифропечати

Отрезок y измеряется при помощи квадрантного фотодиода 9, установленного на подвижной каретке 8 и реагирующего на энергетические центры пучка лучей, прошедшего через плоскопараллельную стеклянную пластину 7, и пучка лучей, прошедшего в воздухе. Фокометр предназначен для выполнения измерений с высокой степенью точности, например, не хуже 0,2%. Поэтому необходимо учитывать сферическую аберрацию плоскопараллельной пластины и смещение энергетического центра узкого пучка лучей после прохождения исследуемой системы. Смещение энергетического центра связано с наличием несимметричных аберраций типа комы и хроматизма увеличения. Обработка результатов измерения производится по разработанному математическому алгоритму.

Правильность теоретических выводов подтверждается исследованием компактного устройства, в соответствии с рис. 3, для измерения фокусных расстояний фотообъективов (погрешность измерения не более 1%), которое рассчитано и изготовлено в соответствии с теоретическими выводами, кратко изложенными выше. С помощью данного устройства измерено фокусное расстояние ряда фотообъективов (таблица 1). Подтверждены точностные характеристики устройства и удобство его эксплуатации (устройство свободно от субъективного влияния оператора, так как не является прибором визуального типа).

Таблица 1 - Измеренные фокусные расстояния ряда фотообъективов

Марка объектива	Серийный номер	Фокусное расстояние, мм
		Номинальное	Измеренное
		Номинальное	Методом увеличения, ГОСТ 13095	Методом двух измерительных плоскостей
Индустар-50-2	7393556	50	53,4 ± 0,3	53,9 ± 0,3 (0,6 %)
Юпитер-8	7430177	50	52,9 ± 0,3	53,8 ± 0,3 (0,6 %)
Индустар-26м	6833772	52	52,7 ± 0,3	52,8 ± 0,3 (0,6 %)
Гелиос-44-2	80181794	58	58,3 ± 0,3	58,0 ± 0,4 (0,7 %)
Гелиос-44-2	81258249	58	58,1 ± 0,3	57,8 ± 0,4 (0,7 %)
И-90У	841058	75	76,1 ± 0,4	75,1 ± 0,6 (0,8 %)
Вега 5у	9001885	105	105,3 ± 1,4	105,9 ± 1,1 (1,0 %)
И-100У	861374	110	108,5 ± 0,6	108,4 ± 1,1 (1,1%)

Рис. 3 - Общий вид фокометра

Наличие подвижного элемента - недостаток выше рассмотренной конструкции, поэтому в следующем варианте нет каретки с ФПУ. Для этого устройства разработан измерительный блок, представляющий собой склейку двух призм, к выходным граням которых приклеены ПЗС-линейки. Таким образом создается жесткая конструкция, отличающаяся повышенной стабильностью получаемых результатов измерения и повышенной их точностью. В этом блоке также реализован принцип двух измерительных плоскостей. Фокусное расстояние вычисляется в соответствии с разработанным математическим алгоритмом.

Отдельной задачей стоит измерение больших фокусных расстояний, например, от 3 до 15 метров. Для решения поставленной задачи разработаны измерительные блоки, позволяющие выполнять измерения в непосредственной близости от исследуемой системы (без дополнительной зрительной трубы). Такое решение позволяет резко снизить габариты установки, что, безусловно, является немаловажным достоинством.

Один из измерительных блоков представляет собой плоскопараллельную пластину, на одну из поверхностей которой нанесено зеркальное покрытие, а на другую - полупрозрачное. Вдоль поверхности с полупрозрачным покрытием перемещается ФПУ, реагирующее на энергетические центры световых пучков в режиме нуль-органа. В блоке обработки сигнала фиксируется количество световых следов k и расстояние y между первым и k-ым пучком. Такое решение, при многократном отражении от зеркальной и полупрозрачной поверхностей плоскопараллельной пластины, позволяет увеличить расстояние между измерительными плоскостями l. Из формул (1) и (2) следует, что при измерении фокусного расстояния, равного 10000 мм, с погрешностью измерения не более 0,2%, расстояние l должно быть равно 5000 мм. Такое расстояние получается при использовании выше приведенного измерительного блока при толщине пластины d.

Фокусное расстояние вычисляется по формуле,

где n - показатель преломления стекла плоскопараллельной пластины.

Точностной анализ показывает, что при заданных конструктивных параметрах погрешность измерения фокусного расстояния порядка 3000 мм не превышает 0,1%.

- высокая точность изготовления плоскопараллельной пластины;

- высокая плотность световых полос на отрезке y.

Для снижения потерь света при одновременном увеличении расстояния l между измерительными плоскостями и снижения плотности световых полос на выходной грани предлагается склеенный оптический блок с четырьмя поверхностями, расположенными таким образом, чтобы выполнялось условие полного внутреннего отражения и деления светового пучка на полупрозрачной грани склейки. На выходной грани блока образуется последовательность пучков лучей. Расстояние между ними зависит от фокусного расстояния исследуемой системы. Расстояние y между первым и k-ым пучком измеряется, а фокусное расстояние вычисляется по формуле.

Рассмотренные фокометры могут быть подключены к оптико-электронному контрольному комплексу, работа которого не зависит от психофизиологического состояния оператора. К такому комплексу может быть подключен и оптико-электронный сферометр (рис. 4), основу которого составляют два (четыре) призменных измерительных блока 7, на выходных гранях которых установлена пара ФПУ в виде ПЗС-линеек. Линейки расположены параллельно друг другу на расстоянии y. При помощи измерительных блоков определяется угол 2

между узким пучком света падающим на сферическую полированную поверхность 6 и пучком отраженным от этой поверхности. Радиус кривизны r вычисляется, в общем виде, по формуле

где L - расстояние между двумя узкими пучками лучей, падающими на исследуемую поверхность.

Рабочая формула устройства, связанная с его конструктивными параметрами, выглядит следующим образом

Если сферометр содержит две пары измерительных блоков, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, то возможно измерение не только сферических, но и цилиндрических или астигматических поверхностей.

Рис. 4 - Схема автоматического сферометра: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - зеркальный объектив; 4 - щелевая диафрагма; 5 - непрозрачный экран с параллельными щелями; 6 - исследуемая сферическая поверхность; 7 - измерительный блок; 8 - основание; 9 - блок обработки сигнала; 10 - блок индикации; 11 - блок цифропечати

Единый блок призм обеспечивает высокую стабильность конструкции, следовательно, высокую воспроизводимость результатов измерения, так как устройство должно работать при стабильном температурном режиме в условиях цеха или лаборатории.

Особое внимание уделено приборам для офтальмологии: диоптриметрам, как визуального типа, так и автоматическим, предлагается устройство для измерения межзрачкового расстояния очков.

Проекционный диоптриметр визуального типа отличается повышенной точностью измерения за счет использования нониальной системы совмещения двух изображений на экране диоптриметра. Основным недостатком такого диоптриметра является его визуальный тип. При массовом производстве очковых линз и стопроцентном их контроле необходим автоматический диоптриметр. Такой диоптриметр разработан на основе метода двух измерительных плоскостей с использованием измерительного блока в виде плоскопараллельной пластины. Задняя вершинная рефракция вычисляется по формуле

где b - расстояние, измеренное в первой плоскости;

c - расстояние, измеренное во второй плоскости;

L - расстояние от последней поверхности линзы до плоскости ФПУ (конструктивный параметр устройства).

Максимально допустимая погрешность измерения нормируется требованиями ГОСТ Р 51044-97 и по формулам (1), (2) определяются основные конструктивные параметры диоптриметра.

По ГОСТ 19134 для очков допускается отклонение оптических центров линз с задней вершинной рефракцией 0,5 дптр от центров зрачка на величину 4 мм, для линз до 1 дптр - 3 мм, свыше 1 дптр - 2 мм. Однако с точки зрения физиологической оптики теоретически допустимое децентрирование не должно превышать для линз с оптической силой 4 дптр величины 1,3 мм, 5 дптр - 1 мм, 10 дптр - 0,5 мм, 20 дптр - 0,25 мм. Расхождение между децентрированием, допускаемым с физиологической точки зрения, и децентрированием, допускаемым нормативными документами, вызвано невозможностью при помощи приборов, находящихся в распоряжении офтальмологов, с высокой точностью определить положение оптического центра очковой линзы для высоких рефракций.

Разработанное устройство позволяет быстро и точно измерять межзрачковое расстояние PF или расстояние от центра переносья до центра зрачка правого PF,R и левого PF,L глаза в даль.

Принцип автоколлимации позволяет точно выставить подвижную каретку, соединенную с отсчетным устройством, по отношению к оптической оси очковой линзы. При помощи двух независимых кареток выполняется измерение от центра переносья до оптической оси левой и правой линз. Результаты измерения носят объективный характер, так как в качестве приемника информации используется не глаз оператора, а фотодиод и блок обработки сигнала. Погрешность измерения не превышает 0,1 мм для линз с задней вершинной рефракцией 25 дптр.

Далее рассматриваются универсальные приборы, отвечающие современным требованиям в решении комплексных задач, связанных с измерениями.

В автоматическом фокометре-сферометре (рис. 5) реализуется принцип двух измерительных плоскостей с дополнительной третьей плоскостью. При помощи этого прибора измеряются: f ' - фокусное расстояние оптической системы (положительной или отрицательной); F'V - задняя вершинная рефракция, например очковой линзы, как положительной, так и отрицательной; S'F' - задний фокальный отрезок; r - радиус кривизны сферической поверхности, обращенной к измерительному блоку. При наличии нескольких высот падения узких пучков лучей может быть измерена сферическая аберрация, кома, хроматизм положения.

Рис. 5 - Схема автоматического фокометра - сферометра: 1 - опорное кольцо; 2 - призменный блок; 3 - дополнительное ФПУ; 4 - блок обработки сигнала; 5 - блок индикации

Универсальный прибор для проверки очков отличается от существующих диоптриметров прежде всего объективным характером выполняемых измерений. Кроме измерения задней вершинной рефракции на нем измеряется межзрачковое расстояние очков.

Предложено комплексное устройство для измерения параметров телескопических систем. Как и в большинстве разработок, представленных в данной работе, устройство свободно от субъективного влияния оператора, на нем могут быть выполнены контрольно-юстировочные операции в следующей последовательности:

1) центрирование компонентов телескопической системы;

2) установка расходимости за окуляром на 0 диоптрий;

4) определение видимого увеличения телескопической системы;

5) контроль соответствия расходимости пучков лучей за окуляром с оцифровкой диоптрийной шкалы.

Переход с одной контрольно-измерительной операции к другой производится путем установки сменных блоков, входящих в комплект (щелевые диафрагмы, непрозрачный экран со щелью, объектив измерительного блока) и переключения блока обработки информации на ту или иную измерительную операцию.

Точностное исследование комплекса подтверждает его высокие характеристики. Децентрировка компонентов телескопической системы, равная 0,2 мм, измеряется с погрешностью не более 0,002 мм. Расходимость лучей за окуляром, выставленным на 0 дптр, контролируется с погрешностью 0,04 дптр. Диаметр выходного зрачка определяется с погрешностью 0,0027 мм. Относительная погрешность измерения увеличения составляет 1,4% при увеличении равном 30 крат.

1. Произведен сравнительный анализ различных методов и установок для измерения радиусов кривизны сферических поверхностей и фокусных расстояний оптических систем. Установлено несоответствие существующих контрольно-измерительных приборов современным требованиям автоматизации и универсальности при выполнении измерений. Проанализирована возможность использования ряда электронных ФПУ в качестве приемника информации в точном оптическом измерительном приборе.

2. В соответствие распространению луча света после оптической системы поставлена линейная функция, вид которой зависит от фокусного расстояния данного силового компонента.

3. Предложен бесконтактный метод измерения фокусных расстояний силовых оптических систем и некоторых других параметров оптических приборов.

4. Разработана методика определения конструктивных параметров оптических измерительных блоков в соответствии с необходимой точностью измерений.

5. Разработаны оригинальные оптические измерительные блоки, на базе которых предложен ряд устройств бесконтактного типа для контроля характеристик оптических систем и приборов в автоматическом режиме. Проведенный анализ подтверждает высокие точностные характеристики предлагаемых устройств.

6. Разработан математический алгоритм обработки сигнала, полученного при измерениях.

7. На основе экспериментальных данных выбрано ФПУ, которое может быть использовано при реализации предложенного метода измерений.

8. Экспериментальные исследования макета одной из разработанных установок подтверждают правильность теоретических выводов.

Таким образом, полученные результаты, содержащие теоретическое обоснование метода измерения параметров оптических систем и приборов и его реализация в оптических схемах контрольно-измерительных приборов, являются значительным шагом в решении проблемы повышения точности и автоматизации контрольных операций оптического приборостроения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Михайлов И.О. Математическая модель фокометра // Тез. докл. Междунар. НТК " 220 лет геодез. образованию в России", посвящ. 220-летию со дня основания Моск. гос. ун-та геодезии и картографии. (МИИГАиК). М.: МГУГК. – 1999. – С. 69 - 70.

2. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Сферометр // Авангард. технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация пр-ва оптико-электрон. приборов в машиностроении. Междунар. конф. Тез. докл. Ч. 1. – Новосибирск: СГГА. – 1995. – С. 85 - 86.

3. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Автоматизация процесса измерения параметров телескопических систем // XLVI научно-техн. конф. СГГА, посвящ. 30-летию опт. фак. (Ин-та оптики и опт. технологий): Тез. докл. Ч. 1. – Новосибирск: СГГА. – 1996. – С. 26 - 27.

4. Михайлов И.О. Точностной анализ автоматизированного комплекса для измерения параметров телескопических систем // XLVI научно-техн. конф. СГГА, посвящ. 30-летию опт. фак. (Ин-та оптики и опт. технологий): Тез. докл. Ч. 1. – Новосибирск: СГГА. – 1996. – С. 28 - 29.

5. Пизюта Б.А., Михайлов И.О. Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений: Учебн. пособие для студентов опт. фак. – Новосибирск: СГГА, 1996. – 76 с.

6. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Автоматизация процесса измерения параметров телескопических систем // Вестник СГГА. – Новосибирск, 1998. – Вып. 3.– С. 90 - 95.

7. Михайлов И.О. Точностной анализ автоматизированного комплекса для измерения параметров телескопических систем / Сиб. гос. геодез. акад. – Новосибирск, 1998. – 16 с. – Деп. в ВИНИТИ № 1990-В98.

8. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Фотоприемные устройства в измерительной технике / Сиб. гос. геодез. акад. – Новосибирск, 1998. – 5 с. – Деп. в ВИНИТИ № 1992-В98.

9. Сферометр / Михайлов И.О., Пизюта Б.А. // Заявка 95111943/28. Приоритет 25.07.95 // Открытия. Изобретения. – 1997. – № 17. – С. 24.

10. Фокометр / Пизюта Б.А., Михайлов И.О. // Заявка 96111800/28. Приоритет 11.06.96 // Открытия. Изобретения. – 1998. – № 28. Ч.1. – С. 130.

11. Фокометр / Пизюта Б.А., Михайлов И.О., Левковец В.В. // Заявка 97107947/28. Приоритет 13.05.97 // Открытия. Изобретения. – 1999. – № 12. Ч. 2. – С. 292.

12. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Оптико-электронный фокометр // Восток - Сибирь - Запад. Всерос. эконом. форум. Сибирь: экспорт - импорт. Междунар. промышл. выставка. Тез. докл. – Новосибирск: СГГА. – 1999. – С. 56.

	© 2003 - 2010 miig@rambler.ru

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПРИБОРОВ