книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

ности. Проекционный объектив 5 проектирует изображение вы­ ходной щели монохроматора на поверхности детали в плоскость матового экрана 6 с увеличением 3—4х. По матовому экрану осу­ ществляется визуальный контроль размещения детали относи-

Р и с . 104. С х ем а в ар и ан та н а са д к и к сп ек т р о ф о т о м ет р у С Ф -4

тельно прибора, затем экран заменяется приемником и регистри­ руется световой сигнал. Измерения выполняются относительно эталона с известным коэффициентом отражения.

Контроль качества просветления многих оптических деталей целесообразно выполнять путем измерения остаточного отраже-

ния от поверхности контролируемой детали монохроматического светового потока заданной длины волны. В этом случае особенно рационально применение вышеописанной насадки.

Для измерения коэффициентов зеркального отражения в ин­ фракрасной области спектра созданы насадки к однолучевым

идвухлучевым инфракрасным спектрометрам. Во всех схемах насадок измерение коэффициента отражения основано на сравне­ нии с отражением от эталонных образцов. Наиболее легкоосуще­ ствимой, не требующей дополнительной юстировки спектрометра

иперестановки источника света, является схема, представленная

180

на рис. 106 [39]. Схема размещается в кюветном отделении одно­ лучевого прибора, предназначенного для измерения светопропусканий, между осветителем и входной щелью монохроматора. Свет из выходного окна осветителя зеркалом 1 отражается на поверхность образца 2 и падает под углом— 10° к нормали к по­ верхности, далее отражается на сферическое зеркало 3 и в виде сходящего пучка лучей направляется зеркалом 4 на входную щель монохроматора. В качестве эталона используются алюмини­ рованные зеркала, клиновидные пластинки германия, кремния,

г

кварца, флюорита и другие материалы, коэффициенты отражения которых предварительно рассчитываются по формуле Френеля.

Несколько усложненный вариант этой схемы можно применить для измерения коэффициентов зеркального отражения на двух­ лучевом инфракрасном спектрометре. Схема приставки изображена на рис. 107. Световой пучок от источника света с помощью зер­ кала 1 направляется на образец 2 под углом ~ 5 ° к нормали отражающей поверхности. Сферическое зеркало 3 и система плоских зеркал 4 и 5 собирают свет, отраженный образцом, на входной щели монохроматора. Измерения основаны на сравнении с эталоном (последовательно записывают спектральное отражение образца и эталона) и на измерении абсолютного коэффициента отражения, внеся в канал сравнения ослабитель, компенсиру­ ющий потери света за счет отражения на зеркалах 1—5. Коэффи­ циент светопропускания ослабителя следует подобрать экспери­ ментально путем измерения образцов с известными значениями коэффициентов отражения.

7.Контроль светоделительных

иотражающих покрытий

Оптические детали с нанесенными светоделительными или отражающими покрытиями выполняются в разнообразных кон­ структивных решениях. Это — призмы с произвольными углами

181

отклонения, частично и полностью отражающие зеркала, плоско­ параллельные пластины-поглотители, оттенители, отражатели, форма поверхности которых описывается уравнениями кривых второго порядка, и пр. В силу этого разнообразия создание уни­ версальной аппаратуры для измерения коэффициентов отражения и пропускания крайне затруднительно. Существует несколько моделей специализированных фотометров, рассчитанных на огра­ ниченные области применения. Наиболее универсальным прибо­ ром, явившимся образцом для целой серии конструкций, яв­ ляется фотоэлектрический фотометр типа ИФТ-15, разработанный еще в 1942 г. С. И. Фрейвертом. Прибор предназначен для изме-

рения направленного светопропускания оптических приборов, деталей и отдельных узлов.

Принципиальная схема прибора представлена на рис. 108. Нить электрической лампы 1 конденсором 2 проектируется в пло­ скость отверстия диафрагмы 3 диаметром 2 мм, находящейся в фокальной плоскости коллиматорного объектива 4. Параллель­ ный пучок лучей, ширина которого регулируется ирисовой диа­ фрагмой 5, направляется на контролируемую деталь. Если кон­ тролируемая оптическая деталь 8 не обладает фокусностью, то отраженный (или прошедший) пучок лучей остается параллель­ ным и воспринимается фотоэлектрическим приемником 7. Прием­ ник замкнут на магнитоэлектрический гальванометр 6, снабжен­ ный, как правило, световым указателем отсчета. Фотоприемник оформлен в виде шара, что позволяет исключать погрешности измерений, обусловленные неравномерностью чувствительности светочувствительной площади фотоэлемента. При измерениях коэффициента пропускания фотоприемник располагается после­ довательно в двух положениях (/ и II). При этом регистрируются показания отсчетного устройства и УѴП, пропорциональные световым потокам: Ф,, вышедшему из коллиматора, и Фи, про­ шедшему через оптическую систему. Коэффициенты пропорцио­ нальности КI и К]I определяются при проверке люкс-амперной характеристики измерительной пары фотоприемник —■отсчетное устройство.

182

рычаг 8 с посадочным гнездом для крепления фотоприемника 9 и предметный столик 5 для крепления испытуемых деталей 6. Столик и рычаг могут поворачиваться в пределах 360° вокруг вертикальной оси отсчетного лимба 7, расположенной перпенди­ кулярно оптической оси коллиматора фотометра. Оцифровка лимба выполнена через 1°. Гониофотометрическая приставка позволяет измерять зеркальный коэффициент отражения покры­ тий в пределах углов падения от ±15 до ±85°; угловые пределы измерений ограничены конструктивными размерами коллиматора, фотометра и приемного устройства. Общий вид прибора показан на рис. 109, б.

Для измерения индикатрисе рассеяния света отражающими поверхностями в комплекте прибора предусмотрены съемные до­ полнительные коллиматорные объективы 4 и 10 с апертурой 0,1. Изображение диафрагмы 1 коллиматора 2 фотометра с помощью дополнительного коллиматорного объектива 4, устанавливаемого за ирисовой диафрагмой 3, проектируется на отражающую поверх­ ность контролируемой детали 6, расположенной на оси вращения. Второйдополнительный объектив 10 устанавливают на фото­ приемник, он собирает световой поток, отраженный поверхностью контролируемой детали, в телесном угле

,dS cos Ѳ

где dS — площадь фотоприемника, освещаемая рассеивающей поверхностью;

/— расстояние от фотоприемника до рассеивающей поверх­ ности;

Ѳ— угол между нормалью к поверхности фотоприемника и направлением на испытуемую рассеивающую поверх­ ность.

В гониофотометрической приставке рассеивающая поверх­ ность расположена в центре круга, по дуге которого вращается приемник рассеянной энергии, поэтому 0 = 0° и cos 0 = 1.

Гониофотометрическая приставка позволяет контролировать отражения и пропускания призм со светоделительными покры­ тиями и призм полного внутреннего отражения. Установку призм на столике приставки контролируют по автоколлимации от вход­ ной грани призмы. Юстировкой столика в горизонтальной пло­ скости добиваются расположения автоколлимационного блика на ограничительной диафрагме 3 вблизи светового отверстия коллиматора. Перпендикулярность входной грани призмы свето­ вому пучку при расстоянии ограничительной диафрагмы до вход­ ной грани призмы — 300 мм и световом отверстии коллиматора диаметром 5 мм проверяют по автоколлимации с точностью — 1°, что необходимо для исключения погрешности измерений, возни­ кающей за счет потерь на отражающих гранях при углах падения, меньших угла полного внутреннего отражения.

184

Для измерения отражения вогнутых отражателей, профиль поверхности которых описывается уравнениями кривых второго порядка, используется ранее описанный фотометр ИФТ-15, снаб­ женный насадкой и посадочными местами для отражателя и фото­ приемника. Схема прибора представлена на рис. ПО. Насадка 3 к коллиматору 2 представляет собой съемный коллиматорный объектив, он проектирует изображение диафрагмы 1 коллиматора в точку А вблизи поверхности измеряемого отражателя 4. Отра­

жатель укреплен с помощью гайки на кронштейне так, что его ось находится в одной горизонтальной плоскости с осью колли­ матора и расположена по отношению к ней под углом 15— 17°. Фотоприемник 6, заделанный в шар 5, укреплен на кронштейне, взаимозаменяемом по посадочным местам с кронштейном, на ко­ тором крепится контролируемый отражатель. При измерении фотоприемник располагают последовательно в двух положениях: в положении I для измерения полного светового потока, пада­ ющего на отражатель, и в положении II для измерения светового потока, отраженного поверхностью отражателя. Коэффициент отражения вычисляют по формуле

Измерение коэффициента пропускания частично поглощающих светоделителей, нанесенных на поверхности плоских оптических деталей, а также аттестацию всевозможных оттенителей, пред­ ставляющих собой светофильтры переменной плотности, закон изменения которой задается, как правило, аналитически, можно выполнять на универсальных микрофотометрах типа МФ-2, МФ-4, ИФО-451. Измерение коэффициента пропускания светофильтров

185

переменной плотности осуществляют по зонам, оно основано на сравнении световых потоков, прошедших через измеряемую зону, с потоком, прошедшим через зону светофильтра, свободную от слоя поглотителя, или зону, заданную как начальную. Опти­ ческие детали, закон изменения оптической плотности которых аналитически выражен как функция от угла поворота (круговые оптические клинья), контролируются в специальных технологиче­ ских оправах, снабженных гравированной градусной шкалой. Нулевой отсчет шкалы оправы совмещают с отсчетной риской на предметном столике микрофотометра. Начальную зону свето­ фильтра устанавливают вращением оптической детали в оправе, и ее положение относительно измерительной щели контролируют визуально на наблюдательном экране микрофотометра. Далее деталь в оправе поворачивают на столике микрофотометра и зна­ чения коэффициента пропускания фиксируют по шкале микро­ фотометра для любых значений углов поворота а°.

и плотность светофильтра (оттенителя) в зоне, соответствующей углу поворота а° от заданной начальной зоны. При обработке результатов измерений оттенителей и светофильтров переменной плотности удобны накладные номограммы, выполненные на пергамине или листовом органическом стекле толщиной не более 1— 1,2 мм, представляющие собой расчетное поле допуска задан­ ного оттенителя или светофильтра, изображенное как совокуп­ ность кривых тт1п = / (а°) и ттах = / (а°) в определенном мас­ штабе. Наложение такой номограммы на полученную в резуль­ тате измерений кривую функциональной зависимости тдет = = / (а°), построенную в масштабе номограммы, позволяет опе­ ративно судить о соответствии деталей требованиям чертежа, а также в случае необходимости получить данные для корректи­ ровки коэффициента пропускания детали в отдельных зонах.

к условиям эксплуатации деталей и узлов оптических приборов требует проведения измерений коэффициента пропускания и отра­ жения для определенных диапазонов длин волн, при этом, как правило, задается относительное распределение энергии в спектре излучения реального источника, с которым работает оптический прибор, и относительное распределение спектральной чувстви­ тельности приемника излучения. Воспроизведение заданных источ­ ников излучения и приемника энергии в лабораторной практике не всегда возможно. Например, оптические детали, предназначен­ ные к эксплуатации в телевизионном канале, нельзя контроли­ ровать реальной приемной телевизионной трубкой по коэффи­ циенту пропускания и отражения. В таких случаях прибегают

186

к методу спектральной коррекции универсальных лабораторных приемников энергии (фотоэлементов с запорным слоем, фотоумно­ жителей и т. п.), к заданным спектральным приемникам энергии с помощью специально рассчитываемых корректирующих свето­ фильтров. Корректирующие светофильтры рассчитывают так, чтобы в заданном диапазоне спектра выполнялось соотношение

масштабе и отнесены к значениям, соответствующим длине волны, при которой функция SkEx максимальна.

Как правило, корректирующие светофильтры изготовляют в виде сочетания расположенных друг за другом нескольких цветных стекол, оптимальные толщины которых определяют рас­ четным путем.

Расчет оптимальных толщин lt светофильтров выполняют на основании системы уравнений, связывающих оптические плот­ ности di отдельных светофильтров и требуемые плотности Dt корректирующего светофильтра для выбранных длин волн, для которых обеспечивается точное совпадение полученной и заданной кривых. Так как достаточно получить совпадение лишь относи­ тельных кривых пропускания, то в расчетцые уравнения можно внести разности плотностей для данной длины волны Kk и для длины волны, соответствующей максимальному значению функ­

Пусть имеем п светофильтров, входящих в данную комбинацию, тогда можно написать систему уравнений для п длин волн, реше­ ние системы позволит определить/ оптимальные толщины отдель­ ных светофильтров. Расчетные длины волн выбирают таким обра­ зом, чтобы наиболее точное совпадение полученной и заданной кривых было в тех участках, в которых отклонение от заданной кривой дает максимальные ошибки в измерениях.

187

Глава VI

Контроль оптических характеристик приборов

1. Измерение фокусных, вершинных фокусных и рабочих расстояний оптических систем

В процессе изготовления оптико-механических приборов осу­ ществляется контроль их оптических характеристик. Остановимся на некоторых из них, в частности, на определении фокусных рас­ стояний вершинных фокусных расстояний S'p и рабочих рас­ стояний А, т. е. расстояний от опорного торца оправы системы до фокальной плоскости.

Вершинные фокусные расстояния обычно контролируют при изготовлении отдельных и склеенных линз.

Фокусные расстояния проверяют в более сложных оптиче­ ских системах, например, в объективах.

Рабочие расстояния измеряют в тех случаях, когда нужно знать расположение фокуса объектива относительно его опор­

Вотличие от вершинных фокусных расстояний рабочее рас­ стояние объектива можно изменять подрезкой опорного торца оправы или какого-либо промежуточного торца. Методику изме­ рения указанных параметров выбирают в зависимости от постав­ ленной в каждом конкретном случае задачи.

При контроле изготовления некоторых оптических деталей необходимо сравнивать измеренные и расчетные вершинные фо­ кусные расстояния.

Вчертежах на оптические детали обычно приводятся вели­ чины фокусных расстояний и вершинных фокусных расстояний для параксиальных лучей, т. е. лучей, достаточно близких к оп­

189