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

Этот принцип принят за основу при конструировании малой и большой моделей фокометра Аббе.

Малая модель позволяет измерять фокусные расстояния до 200 мм, а ка большой модели измеряют фокусные расстояния от 200 до 10 000 мм. Метод Аббе имеет ряд преимуществ по сравне­ нию с другими методами измерения фокусных расстояний, из них основным является независимость результатов от точности фокусировки на изображение предмета, так как в приборе осу­ ществлен телецентрический ход лучей, т. е. после испытуемой системы главные лучи выходящих пучков идут параллельно оптической оси системы.

Конструктивно фокометр Аббе состоит из микроскопа с изме­ няющимся предметным расстоянием (внутренняя фокусировка), столика для контролируемой системы и стеклянной шкалы, перемещающейся параллельно оптической оси контролируемой системы.

Измерение изображений осуществляется не перемещением микроскопа, а перемещением столика с контролируемой системой перпендикулярно ее оси.

Такая конструкция уменьшает возможные ошибки, возни­ кающие из-за перекосов оптической оси измерительного микро­ скопа при его перемещении, а наклоны контролируемой системы мало влияют на измеряемую величину из-за близости ее узловой точки к направляющим столика. Принципиальная схема фоко­ метра Аббе показана на рис. 117, б.

Ось наблюдательного микроскопа 1 параллельна оси контро­ лируемой системы. Контролируемая система 2 расположена на столике, который может перемещаться перпендикулярно оси системы. Стеклянная шкала 3 имеет возможность смещаться параллельно оптической оси контролируемой системы.

Пусть первоначально контролируемая система находится в по­ ложении /, а микроскоп сфокусирован на изображение А' штриха А. Передвинем столик с контролируемой системой так, чтобы она из положения I перешла в симметричное относительно оси микроскопа положение II, тогда увидим в том же месте изо­ бражение В' какого-то штриха В.

переместим стеклянную шкалу в положение 3’ и сфокусируем на нее микроскоп, тогда будет видно изображение С штриха С стеклянной шкалы.

Вновь сместим контролируемую систему в положение II. В микроскопе будет видно изображение D' штриха D. Перемещение столика будет равно величине изображения у\,

а сам предмет уі = уі — CD. Обозначим CD через Ui, тогда

200

У2‘ --= ij2 — v-2 . Подставив полученные значения в формулу (55), найдем

Если при наведении микроскопа на стеклянную шкалу в двух занимаемых ею положениях сообщать контролируемой системе

сти фокусного расстояния от зоны и далее, экстраполи­ руя его до у' = 0, найти фокусное расстояние для параксиальной области.

клянной шкалы и расстояние между штрихами на скамье могут быть измерены с большой точностью.

Ошибка в измерении величины изображения зависит от кор­ рекции контролируемой системы, от самой величины изображения, связанной с размерами контролируемой системы, и от инструмен­ тальных ошибок отсчетной системы.

201

Для большинства случаев измерений общая погрешность при наведении на один край изображения на большой модели фоко­ метра составляет 0,03—0,05 мм. Следовательно, ошибка измере­ ния изображения у' будет 0,06—0,10 мм. Минимальный диаметр контролируемой системы, который еще можно измерять на боль­

Общая погрешность измерения фокусного расстояния составит

0,4—0,5%.

При увеличении зрачка входа контролируемой системы по­ грешность определения фокусного расстояния резко уменьшается.

Обычно на большой модели фокометра Аббе измеряют фокус­ ные расстояния коллиматорных объективов, у которых большие

му и зрительную трубу. Схема установки показана на рис. 119, а. Щель 1 расположена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 2 перпендикулярно плоскости рисунка и освещена

то изображение щели 1 получилось бы в заднем фокусе контро­ лируемого объектива, т. е. в точке т. Однако пучки лучей, вы­ шедших из объектива 4, попадают на объектив 5 зрительной трубы, которая установлена на «бесконечность», и образуют изо­ бражение щели 1 в точке п. Далее слегка расходящимися пуч­ ками они проходят через фокальную плоскость зрительной трубы. Если в качестве окуляра в зрительной трубе стоит окуляр-микро­ метр, то с его помощью можно измерить расстояние d между цен­

Будем считать, что в точке т находится предмет, а в точке п его изображение. Обозначив фокусное расстояние объектива 5 через /з. х, можно написать

1 1 1

откуда

f3. т с

с/з. т

202

Рис. 119. Измерения фокусных расстояний по Фабри—Юдину:

а — схема; 6 — установка для измерений

На рис. 119, б представлена одна из действующих установок Установка имеет следующие характеристики: фокусное рас* стояние объектива коллиматора 862 мм, относительное отвер­ стие 1 : 10, фокусное расстояние объектива зрительной трубы 273 мм, цена одного деления окуляр-микрометра 0,005 мм и поле зрения окуляра 8 мм. Установка снабжена набором пластинок со щелями.

203

Для измерения фокусных расстояний в ход лучей поочередно вводят пластинки со щелями и добиваются получения самого большого расстояния d между центрами пучков лучей в фокаль­ ной плоскости объектива зрительной трубы, которое еще можно измерить окуляр-микрометром. Затем повторяют измерение с пла­ стинкой, меньшей на номер, рассчитывают фокусное расстояние по формуле (57) и выбирают среднее значение из двух измерений. Установка позволяет измерять фокусные расстояния величиной от 9 до 5000 мм.

Для определения точности метода, прологарифмируем и про­ дифференцируем формулу (57):

где ~а-----первая ошибка, равная 0,2—0,3%; -f{3: т — вторая

•з . т

ошибка при точных методах измерения фокусного расстояния

объектива зрительной трубы, равная 0,05—0,1%; ----третья

ошибка при использовании всей шкалы окуляр-микрометра, равная не более 0,2—0,3%. .

Таким образом, суммарная погрешность метода не будет пре­ вышать 0,4—0,5%.

Гониометрический метод. Определение фокусных расстояний этим методом отличается высокой точностью, однако процесс измерения требует значительного времени, кроме того, сам метод пригоден только для измерения фокусных расстояний положи­ тельных систем.

Принцип измерений заключается в определении углового раз­ мера отрезка шкалы, расположенной в фокальной плоскости контролируемой системы.

Зная линейный размер отрезка шкалы у и определив угол~од под которым виден этот отрезок из главной точки объектива, можно найти фокусное расстояние объектива или системы по

Существуют два типа установок для измерения фокусных расстояний этим методом. Схема первой установки показана на рис. 120, а. Угловой размер отрезка у, т. е. угол w, определяется с помощью вращающейся зрительной трубы 3 при неподвижном положении как испытуемого объектива 2, так и шкалы 1, причем зрительная труба должна вращаться вокруг оси, проходящей через зрачок входа контролируемой системы.

Схема второй установки показана на рис. 120, б. Здесь кон­ тролируемая система, жестко связанная со шкалой, расположена

204

на вращающемся столе, а зрительная труба неподвижна. Угловой размер w определяют с помощью вращающегося стола по разности отсчетов при наведении перекрестия зрительной трубы на разные края отрезка у. Как и в первом случае, ось вращения стола должна проходить через зрачок входа контролируемого объектива. В обоих случаях измерения выполняют для нескольких отрезков у и

Рис. 120. Схемы измерений фокусных расстояний на гонио­ метре:

а — при неподвижном положении испытуемого объектива и шка­ лы; б — при подвижном положении

по отдельным значениям /' определяют среднее фокусное рас­ стояние. Более подробно эта установка и методика работы на ней описаны в гл. VII при рассмотрении методов измерения дисторсии.

Для определения точности метода прологарифмируем и про­ дифференцируем формулу (58):

Кроме ошибок, связанных с измерением величины у и угла w в погрешность определения фокусного расстояния войдет ошибка Af'y установки шкалы в фокальной плоскости контролируемой

205

системы. Установку шкалы осуществляют с помощью зрительной трубы, служащей для измерения углов w. Зрительную трубу заранее устанавливают на «бесконечность».

Тогда суммарная относительная погрешность определения фокусного расстояния будет

4 Ошибка наведения зрительной трубы в мкм

где и —- действующий апертурный угол зрительной трубы;

диаметр зрачка входа зрительной трубы, если он меньше, чем диаметр зрачка входа контролируемой системы.

Ошибка в установке шкалы в фокальной плоскости контроли­ руемой системы

подставив значение А, получим

0,2 ,

250D2 '

Г

Тогда общая погрешность определения фокусного расстояния будет

=10" .

Тогда при измерениях на гониометрической установке с точностью отсчета углов 3' найдем, что бf ' / f ' = 0,12%.

Практическая точность метода несколько ниже из-за ошибок, связанных с качеством изображения контролируемой системы.

Коинцидентный метод. Определение фокусных расстояний в этом методе, как и в предыдущем, основано на измерении угловой величины изображения предмета, расположенного в фо­ кальной плоскости контролируемой системы [54]. Однако уста­ новка предмета в этой плоскости и измерение его угловых

206

размеров осуществляются не путем фокусировки, а путем нониального совмещения.

Схема действующей большой модели коинциденц-фокометра представлена на рис. 121.

Принцип измерения заключается в следующем. Источник света 10 через зеленый светофильтр 11 и раздвижную щель 12, параллельную оптической оси прибора, освещает щели 8 на куби­ ческой призме 9. Лучи света, выходящие из щелей, отражаются от гипотенузной грани призмы 9, проходят через контролируемую

Рис. 121. Схема измерений фокусных расстояний коинцидентным методом

систему 4, два клина 3 и, отразившись от плоского зеркала 1 (призма 2 выключена), возвращаются обратно, образуя на мато­ вой пластинке 14 два изображения щелей 8. Если щели 8 нахо­ дятся в фокальной плоскости системы 4, то их изображения рас­ полагаются точно друг под другом, что достигается передвиже­ нием окуляра 13 вместе с призмой 9 и вращающейся матовой пластинкой 14 вдоль оптической оси фокометра.

После этого в ход лучей вводят пентапризму 2 так, как это показано на рис. 121. Тогда часть лучей, прошедшая через один из клиньев 3, отклонится пентапризмой на 90°, пройдет через клин 5, линзовый компенсатор 6 и, отразившись от кварцевого зеркала 7, вернется обратно, образуя на матовой пластинке 14 изображение щелей 8, смещенное относительно первоначального положения. Таким образом, два изображения щелей 8, находя­ щиеся друг под другом, после введения в ход лучей пентапризмы разойдутся. Перекидыванием клина 5 на 180° и смещением одной из линз компенсатора 6 добиваются такого положения, при кото­ ром две системы автоколлимационных изображений щелей сме­ стятся относительно друг друга на величину, равную расстоя­ нию между изображениями соседних щелей,

207

При этом зная угол отклонения 8 клина 5 и величину отклоне­ ния у компенсатора 6, можно определить угловое расстояние ß между двумя щелями по формуле

ß46 + 2у.

Тогда фокусное расстояние контролируемого объектива будет

или при малых углах ß

(59)

где а — линейное расстояние между двумя щелями.

Для определения точности метода прологарифмируем и про­ дифференцируем основную формулу (59):

2 9 8