В следующем варианте устройства для измерения угла α можно использовать систему временных интервалов [1].

Устройство для реализации данного метода состоит из источника света 1 и конденсора 2 (рис. 3). Вышедший из конденсора параллельный пучок лучей равномерно освещает полевую диафрагму коллиматора в которой в качестве объекта установлена узкая щель 4. Поскольку щель находится в передней фокальной плоскости объектива 3 коллиматора, то последний формирует на выходе широкий параллельный пучок лучей. Непрозрачный экран 5 имеет две узкие щели, параллельные щели 4 и расположенные симметрично оптической оси на некотором расстоянии а друг от друга. За объективом коллиматора установлено вращающееся зеркало 7 и вспомогательный объектив 8. При установке зеркала под углом 45° к оптической оси системы изображение щели 4 строится системой объективов коллиматора 3 - вспомогательный объектив 8 в задней фокальной плоскости объектива 8 на оптической оси.

Рисунок 3

При введении в ход лучей контролируемого компонента 6 изображение щели 4 строится эквивалентной системой 6 – 8 в другом месте – перед задней фокальной плоскостью или за ней в зависимости от знака оптической силы контролируемого элемента. В фокальной же плоскости объектива 8 будет два следа узких пучков лучей. Из рисунка видно, что углы α и β равны.

Задача сводится к определению угла β и вычислению, при заданном значении а фокусного расстояния контролируемого элемента. Для определения же угла β = α при известном фокусном расстоянии вспомогательного объектива 8 необходимо знать расстояние между следами узких пучков лучей.

Отсюда следует, что

,

.

где b – расстояние между следами узких пучков лучей.

Задача может быть решена двумя путями: измерением расстояния b и непосредственным измерением угла β.

В данной установке предусматривается второй вариант. Зеркалу 7 придается равномерное вращение вокруг оси, перпендикулярной оптической, а в задней фокальной плоскости объектива 8 установлено два фотоприемника 9 и 10, связанные с измерителями временных интервалов 11 и 12.

При вращении зеркала 7 следы узких пучков лучей смещаются в задней фокальной плоскости относительно фотоприемника 9. При попадании на фотоприемник 9 светового сигнала от следа 14 происходит запуск счетчика импульсов генератора стандартной частоты измерителя временных интервалов 11, а при попадании на фотоприемник светового сигнала от следа 15 прекращается отсчет импульсов генератора. Информация о количестве импульсов поступает на первый вход цифрового пересчетного устройства 13. Кроме того, в пересчетное цифровое устройство поступает и информация о частоте генератора, угловой скорости вращения зеркала и величине расстояния а. По этому времени с учетом угловой скорости вращения зеркала (времени одного оборота) определяется угол β, а затем – f '. Информация выводится на цифровое табло, цифропечатающее устройство или передается по другим каналам.

Для исключения нестабильности скорости вращения зеркала 7 на результаты измерения используется датчик угловой скорости. Для этого используется фотоприемник 10 и второй измеритель временных интервалов 12. При попадании на фотоприемник светового сигнала от следа 14 происходит запуск счета импульсов генератора стандартной частоты. При попадании светового сигнала от следа 15 электрический сигнал в систему не попадает. Счет импульсов прекращается, когда на фотоприемник 10 вновь попадает световой сигнал от следа 14. По числу импульсов и частоте генератора определяется угловая скорость вращения зеркала (время одного оборота).

По данной схеме измерения искомый угол β можно определить как

где с – временной интервал, определенный по первому измерителю временных интервалов (количество импульсов за время «пробега» следов узких пучков лучей перед фотоприемником 9);

d – временной интервал по второму измерителю временных интервалов (количество импульсов за время одного оборота зеркала).

Тогда

.

Погрешность измерения будет зависеть от погрешности измерения расстояния между щелями а и погрешности измерения временных интервалов или погрешности счета импульсов генераторов стандартной частоты.

Расстояние а является величиной постоянной для одного устройства и может быть определено с высокой точностью. Погрешность его измерения составит величину порядка 1 мкм.

Частота генератора стандартной частоты составляет 30 МГц, т.е. 30000000 импульсов в секунду. При скорости вращения зеркала 120 об/мин = 2 об/сек на один оборот зеркала приходится 15000000 импульсов. Следовательно 1 импульс будет соответствовать повороту зеркала на 0,0846" » 0,1".

Отсюда можно сделать первый вывод, что абсолютная погрешность измерения угла β и определения фокусного расстояния является величиной постоянной, независящей от величины фокусного расстояния, так как величины погрешностей постоянны.

С ростом величины измеряемых фокусных расстояний уменьшается величина угла β, а, следовательно, возрастает относительная погрешность его измерения.

Однако, с учетом того, что пропорционально увеличивается и само фокусное расстояние, относительная погрешность его измерения остается постоянной и составит величину порядка 0,1%.

Фокусное расстояние оптических элементов с большими диаметрами зрачка входа может быть измерено со значительно меньшей погрешностью.

В данной установке, как и в описанной выше, также можно использовать систему призм, установленную за объективом коллиматора, для получения двух узких пучков лучей со строго заданными расстояниями между ними при наличии у непрозрачного экрана 5 одного отверстия, расположенного на оптической оси. Кроме указанных выше преимуществ компоновка, в данном случае, получается более удачной, конструкция более компактной, без привлечения дополнительных компонентов типа зеркал и призм. Схема установки представлена на рис. 4.

Рисунок 4