Задачу измерения больших (порядка 15 м) фокусных расстояний с высокой точностью можно решить принципиально и другими путями, конкретно, путем измерения заднего апертурного угла непосредственно при помощи высокоточных оптических устройств. Такими устройствами могут служить оптические микрометры с линзовыми компенсаторами.
Схема установки представлена на рис. 20 [8]. В данном случае щель 3, расположенная в передней фокальной плоскости объектива 4 коллиматора, освещается равномерно при помощи источника света 1 и конденсора 2. Объектив коллиматора формирует широкий пучок параллельных лучей из которого щели непрозрачного экрана 5 вырезают два узких пучка лучей, расположенных на расстоянии а и симметричных оптической оси коллиматора. Узкие пучки лучей попадают на контролируемый длиннофокусный компонент 6 и собираются в его заднем фокусе. При этом они наклоняются на угол α.
Рисунок 20
Для измерения этого угла установим в ходе одного из пучков линзовый компенсатор, состоящий из неподвижной отрицательной линзы 7, подвижной положительной – 8. Обе линзы имеют одинаковые фокусные расстояния f 'л. Перемещение положительной линзы осуществляется электродвигателем 13. Измерение величины перемещения производится при помощи датчиков линейных перемещений на круговых растровых шкалах 9. В задней фокальной плоскости положительной линзы компенсатора устанавливается координатно-чувствительный фотоприемник 12 (можно и на другом известном расстоянии – чем больше это расстояние, тем выше чувствительность системы).
При отсутствии контролируемого компонента смещением положительной линзы компенсатора энергетический центр узкого пучка лучей устанавливается на линии раздела фотоприемников и сигнал с датчика линейных перемещений, поступающий в блок обработки информации. 15, принимается за нулевой.
При установке в ход лучей контролируемого компонента пучок лучей отклоняется на угол α и смещается с фотоприемника. Перемещением положительной линзы компенсатора энергетический центр узкого пучка лучей вновь совмещается с линией раздела фотоприемника. Величина перемещения линзы b измеряется датчиком линейных перемещений и поступает в блок обработки информации, где при известном фокусном расстоянии подвижной линзы компенсатора f 'л, определяется угол α
.
При известном расстоянии между щелями (узкими пучками лучей) определяется фокусное расстояние контролируемого компонента
 . |
(5) |
Для учета осесимметричности установки контролируемого компонента относительно щелей экрана 5 во втором пучке лучей устанавливается аналогичная система микрометра, состоящая из неподвижной отрицательной линзы 7' компенсатора, положительной подвижной 8', электродвигателя 14, датчика линейных перемещений 10. Информация с датчика 10 поступает в тот же блок обработки информации 15, где определяется фокусное расстояние контролируемого компонента f '2 и среднее значение f '.
Для анализа погрешности определения фокусного расстояния прологарифмируем и продифференцируем выражение (5)
.
Расстояние между центрами щелей экрана а можно измерить на высокоточных приборах с погрешностью 0,002 мм. При помощи оптико-электронного датчика линейных перемещений величину перемещения положительной линзы можно определить также с погрешностью порядка 0,002 мм. Если расстояние между щелями 60 мм, то относительная погрешность составит
.
При фокусном расстоянии положительной линзы 5 м и угла наклона узкого пучка лучей 0,002 рад, что соответствует фокусному расстоянию контролируемого компонента 15 м, величина смещения положительной линзы будет равна 10 мм. Тогда
.
Фокусные расстояния линз компенсаторов обычно в настоящее время определяется с погрешностью 0,1%, т.е. эта погрешность будет доминирующей и для повышения точности работы установки необходимо линзы компенсаторов аттестовать с более высокой точностью.
Предельная относительная погрешность составит
и вероятностная погрешность
.
Отсюда видно, что погрешности измерения расстояния между щелями и перемещения положительной линзы компенсатора ничтожно малы и ими можно пренебречь. Можно также уменьшить фокусное расстояние линз компенсатора.
Измерение фокусных расстояний порядка 15 м с погрешностью 0,1% на существующих в настоящее время установках невозможно. Данная установка, как показывает предварительный точностной расчет, дает возможность решить поставленную задачу.
