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

узкие центральные пучки монохроматического света, создаваемого, например, с помощью интерференционного фильтра. Это особенно существенно при измерении несклеенных деталей, у которых сферическая и хроматическая аберрации весьма велики.

При определении фокусного расстояния и рабочего расстояния оптических систем целесообразно за положение фокальной пло­ скости принимать плоскость, в которой получается наилучшее изображение, соответствующее наилучшему распределению энер­ гии в изображении точки.

$

А

Рис. 111. Соединение объектива с фотокамерой

Местоположение этой плоскости зависит от остаточных аберра­ ций системы и от применяемых при измерениях источников света и приемников излучений.

Поэтому при подобных измерениях, если это не обусловлено специальными требованиями, желательно контролируемую си­ стему не диафрагмировать, а источник света и приемник излуче­ ний подбирать так, чтобы их спектральные характеристики были близки к тем, которые имеют место в реальных условиях эксплуа­ тации, в противном случае необходимо учитывать соответству­ ющую разницу в положениях фокальной плоскости.

Например, при переходе от рабочего расстояния объектива, измеренного визуальным или фотоэлектрическим методом, к фото­ графическому рабочему расстоянию всегда учитывается величина смещения фокальной плоскости объектива.

1. Измерение вершинных фокусных расстояний

Измерение на оптической скамье. Вершинные фокусные рас­ стояния положительных оптических деталей и систем измеряют на оптических скамьях типа ОСК-2, ОСК-3, а также на скамьях иностранных фирм.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 112. При измерении вершинного фокусного расстояния микроскоп сначала фокусируют на заднюю поверхность контролируемой детали, а затем на изображение сетки, расположенной в фокаль-

190

ной плоскости объектива коллиматора. В обоих положениях ми­ кроскопа снимают отсчеты по шкале с помощью нониуса. Разность отсчетов определяет вершинное фокусное расстояние.

В качестве сетки применяют миру или перекрестие, удобно также использовать сетку, представленную на рис. ИЗ.

Рис. 112. Схема измерений вершинных фокусных расстояний:

1 — объектив коллиматора; 2 — ирисовая диафрагма для ограничения пучка лучей коллиматора; 3 — испытуемая система в держателе; 4 — микроскоп; 5 — отсчетная шкала микроскопа; 6 — нониус, связанный с держателем ми­ кроскопа

Сетку коллиматора освещают электрической лампой через молочное или матовое стекло и светофильтр.

Фокусировку на поверхность линзы осуществляют по име­ ющимся на ней мельчайшим царапинам. Поверхность линзы осве­ щают источником света, располо­ женным сбоку. Если царапины видны плохо, то на поверхность наносят не­ сколько пылинок ликоподия, мела или пудры; иногда на поверхность достаточно подышать и затем фоку­ сировать по пузырькам воды.

В большинстве случаев достаточ­ но применять увеличение микроско­ па порядка 20—30х. При измерении отрицательных систем либо объектив микроскопа заменяют длиннофокус­ ной положительной линзой, либо весь микроскоп заменяют зрительной тру­ бой с положительной насадкой. В этом случае наблюдательный прибор

после наведения на поверхность следует перемещать в сторону коллиматора, а не в противоположную сторону, как это имеет место при измерении положительных систем. Погрешность опре­ деления положительных вершинных фокусных расстояний не превышает 1%, что вполне достаточно для сравнения полученных результатов с расчетными данными. Точность определения отри­ цательных вершинных фокусных расстояний вообще меньше точ-

191

ности положительных и уменьшается с увеличением абсолютных величин вершинных расстояний.

При испытании хорошо корригированной системы точность измерений можно значительно повысить, если ее не диафрагми­ ровать. В этом случае она зависит от качества коррекции системы и ее апертуры. При достаточно совершенной контролируемой системе ошибку наведения можно определить в мкм:

где и — апертурный угол испытуемой системы.

1

Рис. 114. Схема измерений вершинных фокусных расстояний, предложенная Ю. В. Коломийцовым

В этих случаях необходимо, чтобы апертура наблюдательного микроскопа была не меньше апертуры контролируемой системы.

Измерение по методу Ю. В. Коломийцова. Схема установки, предложенная Ю. В. Коломийцовым, предназначена для быстрого относительного контроля положительных и отрицательных вер­ шинных фокусных расстояний в условиях массового производства

(рис. 114).

Пучок лучей, выходящих из щели 5 коллиматора, освещаемой лампой накаливания /, проходит объектив коллиматора 2, допол­ нительный объектив 3, контролируемую линзу 4 и, отразившись от зеркала 6, сходится в фокальной плоскости объектива зритель­ ной трубы 9. Полученное таким образом изображение S' щели коллиматора с помощью двух клиньев 7 и 8 разделяется на две части, разведенные относительно друг друга по высоте (SI и S2).

Дополнительный объектив 3 является сменным и рассчиты­ вается отдельно для каждого типа испытуемых линз с компенса­ цией их сферических и хроматических аберраций.

192

Изображения щели 51 и S2 будут расположены точно друг над другом (рис. 114, в), если фокус линзы 4 совпадает с фокусом дополнительного объектива. В этом случае при отрицательной контролируемой, линзе линза 4 и дополнительный объектив 3

(рис. 114, б). Если фокусы линзы 4 и объектива 3 не совпадут, то изображения щели разойдутся (рис. 114, г), тогда их можно совме­ стить перемещением дополнительного объектива 3.

Объектив 3 перемещается с помощью микрометренного меха­ низма, по которому это смещение отсчитывают.

Вершинные фокусные расстояния измеряют следующим обра­ зом. В прибор, юстированный по эталонной линзе, вставляют контролируемую линзу указанным выше способом, вновь совме­ щаются изображения щели; полученное при этом смещение допол­ нительного объектива 3, измеренное по шкале микрометренного механизма, равно величине отступления вершинного фокусного расстояния контролируемой линзы от эталонной.

Точность измерения на приборе весьма велика. Так, по экспе­ риментальным данным, максимальная погрешность при вершин­ ном фокусном отрезке линзы, равном 25 мм, составила 0,04%.

2. Измерение фокусных расстояний

Метод увеличения на коллиматоре. Визуальное определение фокусных расстояний выполняют по схеме, представленной на рис. 115, а. В фокальной плоскости коллиматорного объектива 2 расположена сетка 1 с несколькими вертикальными штрихами. Ее изображение получается в фокальной плоскости испытуемого объектива 3. Это изображение рассматривают посредством микро­ скопа и измеряют с помощью окуляр^микрометра.

Из рис. 115, а следует

__ £І _■__ /1

Г = Су'.

Если фокусное расстояние коллиматорного объектива неиз­ вестно, то можно сразу определить постоянную С.

Для этого необходимо измерить с помощью теодолита угол, под которым видно расстояние между штрихами сетки со стороны объектива коллиматора.

На рис. 115, 6 показана одна из действующих установок для измерения фокусных расстояний величиной от 10 до 350 мм:-Фокус­ ное расстояние объектива коллиматора равно 750 мм. В его фокаль­ ной плоскости расположена сетка с шестью параллельными штри­ хами; расстояния между ними от 6 до 60 мм. Измерительный ми­ кроскоп установки имеет два сменных объектива с увеличением 3

нн' нн' 2 і

У

Рис. 115. Измерение фокусного расстояния методом увеличения на коллиматоре:

а— схема; б — установка для измерения

и6х и окуляр-микрометр с увеличением 10х. В зависимости от величины фокусного расстояния испытуемой системы измерения выполняют либо окуляр-микрометром, если в поле зрения микро­ скопа видна сразу симметричная пара штрихов коллиматорной

сетки, либо перемещением всего микроскопа. Для этой цели микро­ скоп устанавливают на специальной каретке, снабженной микро-

метренным винтом.

Первый способ применяется для измерения объективов с фо­ кусными расстояниями до 40 мм, второй — для объективов с боль­ шими фокусными расстояниями.

Измерения фокусных расстояний методом увеличения осу­ ществляются также на оптических скамьях типа ОСК-2, ОСК-3 иностранных фирм.

Для определения точности метода прологарифмируем и про­ дифференцируем основную формулу (53), тогда относительная погрешность определения фокусного расстояния будет

] 94

Фокусное расстояние объектива коллиматора должно быть определено более точными методами, чем данным, поэтому первое

/к

Измерение расстояния у между штрихами сетки можно выпол­ нить на универсальном микроскопе или на компараторе с высокой

скопа на изображение у'\ от инструментальных ошибок окулярмикрометра и ошибки при определении цены деления его шкалы; от ошибки наведения перекрестия окуляр-микрометра на изобра­ жения штрихов сетки 1.

Суммарная погрешность измерения у' обычно составляет 0,2—0,3% измеряемой величины.

Кроме указанных ошибок на точность измерений может влиять неточность установки сетки в фокальной плоскости объектива коллиматора, однако эта ошибка уменьшается пропорционально отношению квадратов фокусных расстояний контролируемого и коллиматорного объективов.

Таким образом, относительная погрешность при измерении фокусного расстояния составит 0,3—0,6%.

Фотографическое определение фокусных расстояний отличается от визуального только тем, что изображение сетки коллиматора, полученное в фокальной плоскости испытуемого объектива, вос­ принимается фоточувствительным слоем, а затем измеряется на компараторе.

Таким методом обычно определяют фокусные расстояния фото­ графических объективов, причем фокусное расстояние измеряют одновременно с определением фотографической разрешающей силы.

Метод увеличения при конечных расстояниях до предмета и изображения. Этот метод оказался удобным для быстрой проверки фокусных расстояний в условиях массового производ­

равно у. Линейку располагают на значительном удалении от контролируемого объектива 2. Изображения штрихов линейки получаются вблизи фокальной плоскости испытуемого объектива. Зная расстояние L от плоскости линейки до места образования изображения и измерив расстояние у' между изображениями двух штрихов линейки, можно рассчитать фокусное расстояние испытуемого объектива.

В существующей установке наблюдательный микроскоп можно перемещать только в горизонтальной плоскости, фокусировка

Рис. 116. Измерения фокусных расстояний при конечных расстояниях до предмета и изобра­ жения:

а — схема; б — установка для измерения

196

на резкость изображения штрихов линейки осуществляется пере­ мещением объектива 2.

Из рис. 120 следует

— X — / + f' -(- х' = L.

Так как

Для измерения величины у' применяют специальную измери­ тельную шкалу 3, расположенную в предметной плоскости наблю­ дательного микроскопа. Эта шкала отградуирована непосред­ ственно в величинах фокусных расстояний в соответствии с фор­ мулой (54). Измерительная шкала так же, как и микроскоп, имеет перемещение в горизонтальной плоскости. Перед измерением первоначально совмещают нулевое деление измерительной шкалы с изображением одного из штрихов (аі) линейки 1 и с перекрестием микроскопа. Затем перемещают наблюдательный микроскоп до совпадения его перекрестия с изображением второго штриха линейки (а[). При этом положении перекрестия микроскопа по измерительной шкале отсчитывают значение фокусного расстоя­ ния контролируемого объектива.

Однако приведенная схема не свободна от ошибок, в связи с этим в результаты измерений необходимо вводить поправки. Первая поправка связана с тем, что при выводе формулы Д54) не учитывалось расстояние между главными плоскостями контро­ лируемой системы; фактически величина L выразится так: —х —

— f + /' + x’ -f- A = L, где А — расстояние между главными плоскостями контролируемой системы, тогда ее фокусное расстояние

(1 -ß)*

то

197

Эту поправку нужно вычитать из полученного отсчета, если Д — величина положительная, и прибавлять, если Д — величина отрицательная.

Вторая поправка связана с тем, что на контролируемый объ­ ектив падают пучки лучей под большим наклоном к его оси. При наклонных пучках лучей, участвующих в образовании изображения, на результаты измерения оказывает влияние дисторсия контролируемого объектива.

Дисторсию объектива можно выразить формулой

откуда

й=Г-б/' =?'(і-”Д

Поправка, учитывающая влияние дисторсии,

Для определения точности метода прологарифмируем и про­ дифференцируем формулу (54):

= 0,1%. Практически ошибка в определении Аг/' значительно больше, так как она зависит от качества изображения контроли­ руемого объектива и от точности фокусировки на изображения штрихов линейки 1, поэтому точность измерений этим методом получается порядка 0,3—0,4%.

198

Метод Аббе. Определение фокусных расстояний на фоко-

системы, а у[ и у'г — их изображения.

Рис. 117. Измерения фокусных расстояний по Аббе:

а —схема измерения; б —принципиальная схема фокометра Аббе

Линейные увеличения в сопряженных плоскостях будут

199