Описанные выше устройства имеют ряд ограничений по величине измеряемых фокусных расстояний, а, следовательно, и точностным характеристикам. Рассмотренный ниже метод измерения дает возможность устранить ряд отмеченных недостатков.

Метод основан на непосредственном измерении угла наклона узких пучков лучей без включения в схему измерения дополнительных оптических элементов, вносящих в результаты измерения дополнительные погрешности.

В данном случае источник света 1 при помощи конденсора 2 (рис. 5) параллельным пучком равномерно освещает узкую щель 3, установленную в передней фокальной плоскости объектива коллиматора 4 [2]. Объектив коллиматора формирует широкий пучок лучей, из которого щели непрозрачного экрана 5 вырезают два узких пучка лучей, расстояние между осями которых известно с высокой степенью точности. После прохождения контролируемого компонента 6 пучки лучей собираются в его задней фокальной плоскости (в заднем фокусе). Из рисунка видно, что для определения величины фокусного расстояния при известной величине а необходимо измерить угол наклона пучков лучей α.

Рисунок 5

Угол α можно измерить несколькими методами.

В первом варианте для определения угла искусственно создадим две секущие плоскости, перпендикулярные оптической оси системы и расположенные на расстоянии d друг от друга. Из рисунка видно, что если измерить расстояния b и с между центрами узких пучков лучей в двух секущих плоскостях, то можно определить искомый угол

.

(2)

Для реализации данного метода используется каретка 7, перемещающаяся перпендикулярно оптической оси системы и несущая на себе два координатно-чувствительных фотоприемника 9 и 10, установленных вдоль направления оптической оси. Расстояние между светочувствительными площадками фотоприемников равно d.

В процессе измерения каретка 7 при помощи электродвигателя 8 перемещается перпендикулярно оптической оси системы. Связанный с электродвигателем или непосредственно с кареткой датчик линейных перемещений 11 непрерывно выдает информацию о величине перемещения каретки от какого-то первоначального положения, которая поступает в блок обработки информации 12 (арифметическое цифровое пересчетное устройство). В момент, когда энергетический центр узкого пучка лучей совпадет с линией раздела любого фотоприемника (пучок энергетически симметричен относительно линии раздела), в блоке обработки информации 12 запоминается отсчет с датчика линейных перемещений 11. Всего запоминается четыре значения (по два с каждого фотоприемника) и по ним определяются расстояния b и с между следами узких пучков лучей в двух секущих плоскостях.

При известном расстоянии d, которое предварительно вводится в память АЦПУ, автоматически определяется tgα по формуле (2).

Если в память АЦПУ предварительно введено расстояние между центрами узких щелей непрозрачного экрана 5 – а, то по соответствующей программе определяется значение фокусного расстояния контролируемого компонента по формуле

.

(3)

Как видно в формулу входят четыре линейных отрезка (расстояния), два из которых заранее известны, являются постоянными величинами для данного устройства и могут быть измерены с высокой точностью. В процессе измерения необходимо определить только расстояния b и с. В связи с этим данное выражение можно несколько преобразовать

,

где К = ad – постоянная величина для данного конкретного устройства (установки, прибора).

Для анализа величины возможной погрешности измерения фокусного расстояния произведем логарифмическое дифференцирование формулы (3). В результате получим

.

Как отмечалось выше, расстояние а между центрами щелей непрозрачного экрана можно предварительно измерить с высокой точностью – порядка 0,002 мм, что при величине расстояния а = 50 мм составит относительную погрешность 1:50000 или 0,004%.

.

Расстояние d между светочувствительными площадками фотоприемников (между двумя секущими плоскостями) также является величиной постоянной для данного устройства и может быть реально определена с погрешностью 0,002 мм, что при величине самого расстояния d = 50 мм составит относительную погрешность

Абсолютная погрешность измерения расстояний b и с с учетом всех погрешностей датчиков линейных перемещений составляет в настоящее время величину порядка 0,002 ÷ 0,003 мм. Если принять, что при измеряемых фокусных расстояниях 150 мм расстояние b = 43 мм и с = 27 мм, то относительные погрешности составят

.

Тогда предельная относительная погрешность измерения фокусного расстояния составит

.

Вероятная (среднеквадратическая) погрешность составит величину

Следует отметить, что на точностные характеристики устройства будут оказывать влияние погрешности, связанные с непрямолинейностью перемещения каретки. Однако если даже погрешность измерения возрастет в пять раз, что мало вероятно, то погрешность в 0,05% вполне удовлетворит реальное производство, так как в настоящее время погрешность фокусных расстояний уникальных оптических компонентов должна составлять величину 0,1%.

В данном устройстве все расчеты производятся в арифметическом цифровом пересчетном устройстве и результаты могут быть выведены на экран цифрового табло 13 или ленту цифропечатающего устройства 14.

Большим преимуществом такого устройства является высокая точность измерения, объективность полученных результатов, большое быстродействие (время одного измерения не более 10 сек)и малые габариты конструкции, независящие от величины измеряемого фокусного расстояния. Все это дает возможность использования установки непосредственно в оптическом цехе и производить стопроцентный выходной контроль линз и склеенных компонентов с выдачей аттестата.