1132

Операционный контроль геометрических параметров оптических деталей

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ознакомится с основными геометрическими параметрами оптических деталей и методами их измерения. Изучить состав и устройство основных видов оборудования и приспособлений для измерения параметров оптических деталей. Овладеть навыками измерений толщины, радиуса кривизны, предела разрешения и других параметров линз, пластин и призм.

Русский

2013-01-06

143 KB

30 чел.

Лабораторная работа №1

Операционный контроль геометрических параметров оптических деталей

  1.  Цель работы
  2.  Ознакомится с основными геометрическими параметрами оптических деталей и методами их измерения.
  3.  Изучить состав и устройство основных видов оборудования и приспособлений для измерения параметров оптических деталей.
  4.  Овладеть навыками измерений толщины, радиуса кривизны, предела разрешения и других параметров линз, пластин и призм.
  5.  Теоретические сведения

    Оптические системы приборов включают как отдельные оптические детали, так и узлы из них с различным сочетанием  линз, пластин, призм, зеркал и др. Состав конструктивных элементов и их вид определяется в первую очередь назначением узла. Например, пластины могут быть защитными и выравнивающими, плоскопараллельными и клиновыми (с заданным углом между поверхностями), фильтрующими (из цветного стекла или со специальными покрытиями). Зеркальные покрытия могут полностью отражать падающий свет (глухие) или разделять его на проходящий и отраженный (полупрозрачные зеркала).

       Общими для всех оптических деталей параметрами являются толщина оси и по краю, радиус поверхностей, предел разрешения для плоских деталей, в том числе призм и др.

        Измерение толщины пластин и линз по центру (t) и косины по краю (Δt), являющееся одним из способов определения децентричности линз и клиновидности пластин, проводят на специальных измерительных приборах, в частности толщиномерах. Обычно такой прибор имеет нижнюю опорную поверхность для установки измеряемых линз и стойку, на которой перемещается индикатор. При измерении t линза устанавливается центром на шариковый упор, Δt – на  кольцевую оправу, по краю – на призматический упор. Положение измерительной головки индикатора при измерении t соосно упору, при измерении Δt   с отступлением от края линзы на 5-10 мм.

       Вариант простейшего толщиномера на базе микрометра с диапазоном измерений до 25 мм показан на рис.1. Предназначен только для определения толщины линз по центру и пластин в любом сечении.

       При измерении мерительные стержни 1 и 2 толщиномера приводятся в соприкосновение и по нониусу 3 делается отсчет (обычно при соприкосновении стержней индекс нониуса стоит на нуле). Затем между  стержнями вводится измеряемая деталь и берется второй отсчет. Разность отсчетов дает величину толщины.  Обычно делается несколько замеров, а для определения клина в пластинке, измеряют ее толщину в различных местах.

    Толщиномер, изображенный на рис.1 служит, главным образом, для контроля деталей в цеховых условиях; его точность ±0,03 мм для L = 25 мм.

 Точность длинномеров, отсчет в которых проводится специальным механизмом с ценой деления 0,001 мм, оценивается не хуже ±0,01.

     На толщиномерах и длинномерах можно точно измерить и диаметр (сторону) детали, но в производстве для этого используются специальные проходные и непроходные скобы.

      Для линз определяющим является радиус кривизны, причем соблюдение заданной точности поверхности контролируется в течение всего технологического процесс их изготовления. Существуют различные способы и средства контроля поверхности на отдельных операциях. Так, отклонения от номинала сферических поверхностей определяются:

    1. Методом шаблона – применяется для определения отклонений формы шлифовальных сферических поверхностей. Шаблон (рис.2) представляет собой металлическую пластину с выпуклой или вогнутой измерительной кромкой заданного радиуса.

Рис.2. Виды шаблонов: а, б, г, е – для контроля радиуса кривизны; в, е – для

контроля внутреннего и внешнего диаметров

  Сферы измеряют наложением мерительной кромки шаблона А на измеряемую поверхность детали Б (рис.3). В случае отклонения поверхности  от шаблона между ними наблюдается зазор или просвет. По величине зазора ΔН оценивают отклонение радиуса кривизны.

Рис.3.Схема определения сферичности методом фотошаблона

2. С помощью сферометра. Метод основан на том, что поверхность любой сферической детали представляет собой шаровой сегмент.  Основными элементами этого сегмента АЕСВ является D, радиус сферы R, высота или стрелка Н (рис.4). Геометрическая связь между этими величинами:

                                                  Рис. 4. Параметры шарового сегмента

                                          .                                        (1)                                         

Откуда радиус сферы:

                                                                                             (2)

  Зная диаметр сферической поверхности и измерив стрелку прогиба Н можно определить радиус сферической поверхности с точностью до 0,01 мм.      

3. Косвенным методом по измерению радиуса кривизны на кольцевом сферометре. Непосредственно измеряется стрелка прогиба h поверхности по известному диаметру 2r опорного кольца сферометра (рис.5). Для этого на кольцо устанавливают сначала плоскую эталонную поверхность (1), а затем  измеряемую (2). В момент касания измерительного стержня (3) поверхности берут отсчеты m0 и m по шкале измерительного прибора и определяют:

h = m - m0.

  Функциональная зависимость R, h и r имеет вид:

                                                                                                        (3)

     

Рис.5 Схема определения сферичности с помощью сферометра

В оптическом производстве измеряется не радиус поверхности, а отклонение от него при наложении пробного стекла с известным R противоположного знака. Количество наблюдаемых колец N и есть отклонение. Контакт пробного стекла (ПС) и поверхности происходит или по центру или по краю. В первом случае отступление носит название «бугор», характерным признаком которого является увеличение числа наблюдаемых колец при нажатии на ПС. При контакте по краям пары поверхность-ПС отступление называют «ямой» и при нажатии кольца укрупняясь сходятся к центру. Для выпуклых поверхностей при бугре Rдет  RПС, при яме наоборот Rдет  RПС.

    Одно кольцо соответствует зазору h = 0,25 мкм в паре «испытуемая поверхность – пробное стекло» и по количеству колец N можно при необходимости рассчитать R поверхности, зная значение R пробного стекла.

Прямое измерение R пробных стекол возможно только для вогнутой поверхности. Оно осуществляется на продольной измерительной машине с автоколлимационным микроскопом на подвижной каретке по разности двух наводок на запыленную поверхность и центр сферы. При наводке на центр сферы отраженные лучи соберутся в той же плоскости, что и при первой наводке на поверхность. Положительное пробное стекло этого номинального R определяется в результате наложения на измеренное отрицательное. Косвенно  R могут быть рассчитаны по измерению стрелки прогиба h на диаметре 2r по формуле (3).

      Пробным стеклом возможен контроль Rдет относительно его R, а для детали с неизвестным радиусом, наряду с описанным ранее сферометром, можно с помощью микроскопа с измерительной линейкой по методике, приведенной в разд. 3.

       В случае плоских ОД отклонения от R=∞ приводит к сферичности по-верхности, что влияет на параметры качества.

      Качество изображений в оптической системе зависит от разрешающей способности составляющих ее элементов, в частности, призм. Под разрешающей способностью понимают наименьший угол, под которым видны раздельно две бесконечно удаленные точки.

Обычно, вследствие дифракции на входном отверстии оптической систе-мы, изображение точки представляет собой яркое пятно, окруженное рядом чередующихся светлых и темных колец. Наложение дифракционных изображений двух бесконечно удаленных точек иллюстрируется зависимостью, представленной на рис.6. По оси абсцисс отложен аргумент mk функции, описывающей распределение света в дифракционном изображении светящихся точек, а по оси ординат – относительное значение освещенности Е в плоскости изображения. Глаз может различать две точки, если выполняется соотношения b≥0,18а.

     Предельный угол разрешения  оптической системы зависит от неоднородности материала ОД по показателю преломления, наличия свилей, двойного лучепреломления, погрешности формы рабочих поверхностей и аберрации

                                                 ,                                               (6)

    где К = - для точных систем, в том числе для объективов коллиматоров и зрительных труб; К = - для систем средней точности, в том числе и для призм; D -  диаметр входного зрачка оптической системы (мм).

     Измерение разрешения плоских ОД проводится на установке, основу которой составляют соосно установленные коллиматор и зрительная труба, в которой диафрагмой можно регулировать диаметр светового пучка, падающего на проверяемую деталь таким образом, чтобы он был не большим светового диаметра проверяемой детали.

    В фокальной плоскости объектива коллиматора установлена штриховая мира – стеклянная пластинка с нанесенной на нее таблицей в виде 25 элементов квадратной формы. Каждый элемент содержит четыре группы светлых полос, разделенных темными промежутками и расположенных под углами 900 и 450. Ширина темных промежутков убывает от элемента к элементу. Подробная информация об мирах приводится в прил. 1, а для данной работы расшифровку предельно наблюдаемых квадратов миры в угловой мере можно делать по табл. 4 для установки с ƒкол = 400 мм с учетом зависимости  от ƒкол и Nмиры .

3. Практическая часть

3.1. Состав лабораторного комплекта

1. Направляющая.

2. Коллиматор с мирами и осветителем.

3. Зрительная труба.

4. Индикаторный толщиномер.

5. Микроскоп.

6. Ирисовая диафрагма.

7. Держатели линз и пластин.

8. Образцы линз, пластин и призм Дове, сетка.

9. Штангенциркуль.

3.2.  Измерение толщины

3.2.1. Толщиномер настраивается на диапазон измерения 0÷10 мм перемещением индикатора относительны нижнего упора.

3.2.2. Из набора деталей берется пара линз, предназначенных для склеивания, т.е. с одинаковым внутренним радиусом. Измеряется их суммарная толщина и толщина отдельных линз. У положительных линз толщина по оси наибольшая, у отрицательных – наименьшая. Для данной пары tобщ должно равняться t1+t2.

3.2.3. При измерении любой из пластин комплекта измерение толщин по центру и краю дает информацию о степени плоскопараллельности рабочих поверхностей детали.

3.3. Измерение радиуса кривизны

Объект измерений тот же, что в п.3.2.2, микроскоп, пара линз, держатель сетки и линз.

     3.3.1. Установить на направляющую микроскоп и держатель с кольцом. Измерить штангенциркулем  внутренний (для посадки выпуклых поверхностей) и внешний (для посадки вогнутых поверхностей) диаметры, а затем  найти значение rвнут и rвнеш.

    3.3.2. Установить на удаленную от микроскопа поверхность кольца держателя сетку рисунком вовнутрь и, наводя на нее микроскоп, снять отсчет L0.

    3.3.3. Установив на кольцо внутренние припудренные поверхности пары линз под склейку, последовательно замерить Lполож и Lотриц .

3.3.4. Рассчитать радиусы обеих поверхностей по формуле , где  rвнут и rвнеш - измеренные в п.3.3.1., а h = Lотр - L0 и L0 – Lполож. Полученные значения R должны практически совпадать (с точностью измерений).

3.4. Измерение предела разрешения пластин и призм

3.4.1. Собрать на направляющей установку (рис.7) в составе коллиматора с набором мир и осветителя, диафрагмы с регулируемым диаметром, зрительной трубы, держателями призм и пластин.

3.4.2. Определение  предела разрешения проводить на образцах призмы Дове в следующей последовательности:

Рис.7. Схема измерения предела разрешения: 1 – зрительная труба,

2 – коллиматор, 3 – диафрагма, 4 – проверяемой призма (пластина)

 

  •  измерить диаметр окружности, вписанной во входную грань, т.е. световой диаметр D призмы, и рассчитать теоретический угол  разрешения:

  •  измерить световые диаметры D объектива коллиматора и зрительной трубы. Определить их дифракционную разрешающую способность:

  •  рассчитать видимое увеличение зрительной трубы Гт и окуляра :

;

  •  определить разрешающую способность зрительной трубы, ограниченную разрешающей способностью глаза

,

где - идеальный угол разрешения глаза, равный . Проверить, обеспечивает ли объектив зрительной трубы необходимую разрешающую способность, сравнив .

3.4.3. Определить практические предельные углы разрешения призм (), для чего:

  •  ввести в ход параллельных лучей испытуемую призму, установив ее на столик между коллиматором и зрительной трубой;
  •  из двух изображений миры в фокальной плоскости окуляра выбрать то, которое получается при прохождении светового пучка через призму Дове. Второе изображение убрать диафрагмой 3;
  •  добиться четкого изображения миры фокусировкой окуляра зрительной трубы;
  •  определить номер последнего элемента миры, штрихи которого разрешаются во всех четырех направлениях. При разрешении всех 25 квадратов установив более мелкую миру;
  •  по табл. 4 прил. 1 найти значение предельного угла разрешения , соответствующего номеру этого элемента;
  •  проанализировать качество полученного изображения миры.

3.4.4. Сделать аналогичную проверку на 2 пластинах из комплекта. Измерять пластины с диаметром диафрагмы не более ее светового диаметра.

3.4.5. Полученные результаты занести в таблицу по прилагаемой форме

призмы

теоре-

тическое

№ последнего

разрешаемого

элемента миры

Качество изображения

миры (двоение,

окрашенность и т.д)

табличное

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

  1.  Краткие теоретические сведения и методики измерений.
  2.  Схему экспериментальной установки для измерения  и t.
  3.  Основные расчетные формулы и результаты расчетов.
  4.  Таблицу экспериментальных и расчетных данных.
  5.  Сравнение теоретической и практической разрешающей способностей.
  6.  Причины несовпадения измерений ±R с помощью микроскопа.

Контрольные вопросы

  1.  Что такое разрешающая способность?
  2.  Для чего в лабораторной установке для контроля разрешения призм необходим параллельный ход лучей?
  3.  Почему мира устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора?
  4.  Какие причины вызывают расфокусировку изображения миры?
  5.  Методы измерения R линз и отклонений от них.
  6.  Методы измерений толщины и диаметра линз.

Литература

     1. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. – Машиностроение, 1974.

    2. Креопалова Г.В, Лазарев И.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения.- Машиностроение, 1987.


2

Ов на центрировку

      Рис.1.Простейший толщемер на базе микрометра: 1- неподвижный;

2 - подвижный стержни; 3 - отсчетное устройство

1

Рис.7. Эскиз линзы с допусками на центрировку

R

R

y

R

R

R

A

H

Н

A

Б

0

C

R

B

E

H

D

A

3

F`

1

2

h

2r

а

b

4

0

4

40%

80%

mk

E%

Рис.6. Минимальное расстояние двух раздельных изображений удаленных точечных источников

3

3

Штриховая мира

столбик

4

1

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75737. Качество воздуха и виды промышленной вентиляции 64 KB
  Качество воздуха и виды промышленной вентиляции Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы определяющую степень воздействия физических химических и биологических факторов на людей растительный и животный мир а также на материалы конструкции и окружающую среду в целом. Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ как в производственной предназначенной для размещения промышленных предприятий опытных производств научно-исследовательских институтов и т....
75738. Промышленный шум, меры борьбы с ним 49 KB
  В различных отраслях экономики на предприятиях и фирмах имеются источники шума это оборудование машины работа которых сопровождается шумом людские потоки. Постоянно находящийся в этих условиях персонал рабочие операторы подвергаются воздействию шума вредно действующего на их организм и снижающего производительность труда. Длительное воздействие шума может привести к развитию такого профессионального заболевания как шумовая болезнь. Тональный характер шума устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот по...
75739. Вибрация, причины ее возникновения. Негативное воздействие вибрации на организм человека(профессиональные заболевания). Организация контроля ее параметров 63 KB
  Негативное воздействие вибрации на организм человека профессиональные заболевания. Основными параметрами вибрации происходящей по синусоидальному закону являются: частота амплитуда смещения скорость ускорение период колебания время в течение которого совершается одно полное колебание. Технологическую которая возникает при работе стационарных машин или передается на рабочие места не имеющие источников вибрации. Генераторами технологической вибрации является оборудование: лесопильное деревообрабатывающее для изготовления...
75740. Определение величин, характеризующих вибрацию (виброскорость, виброускорение, логарифмический уровень виброскорости) 39.5 KB
  Источниками вибрации являются различные технологические процессы механизмы машины и их рабочие органы. Воздействие вибрации на человека классифицируется: по способу передачи вибрации на организм человека; по направлению действия вибрации; по временной характеристике вибрации. Вибрации воздействующая на отдельные части организма работающего определяется как локальная. Показателями вибрационной нагрузки на оператора являются виброускорение виброскорость диапазон частот время воздействия вибрации.
75741. Понятие вибрации. Воздействие вибрации на организм человека. Способы защиты от вредного воздействия вибрации 16.65 KB
  Понятие вибрации. Воздействие вибрации на организм человека. Способы защиты от вредного воздействия вибрации. По способу передачи на человека вибрации подразделяются на общую передающуюся через опорные поверхности на тело человека и локальную передающуюся через руки человека.
75742. Электромагнитное излучение. Негативное воздействие на организм человека 20.25 KB
  Биологический эффект зависит от физических параметров ЭМП радиочастот: длины волны частоты колебаний интенсивности и режима излучения непрерывный прерывистый импульсно модулированный продолжительности и характера облучения организма постоянное интермиттирующее...
75743. Защита от электромагнитного излучения. Эффективность защиты 18.88 KB
  Эффективность защиты. Средства и методы защиты от ЭМП делятся на три группы: организационные инженерно-технические и лечебно-профилактические. В качестве средств индивидуальной защиты рекомендуется специальная одежда выполненная из металлизированной ткани и защитные очки. Средства защиты от электрического поля частотой 50 Гц: стационарные экранирующие устройства козырьки навесы перегородки; переносные передвижные экранирующие средства защиты инвентарные навесы палатки перегородки щиты зонты экраны...
75744. Виды производственного освещения. Виды естественного освещения. Понятие к.е.о. Расчет площади световых проемов и количества окон 21.74 KB
  Виды производственного освещения. Виды естественного освещения. В зависимости от источника света производственное освещение может быть: естественным создаваемым солнечными лучами и диффузным светом небосвода; искусственным его создают электрические лампы; смешанным которое является совокупностью естественного и искусственного освещения. Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей и не создает необходимой освещенности даже на прилегающих к ним площадях.
75745. Виды искусственного освещения, источников искусственного освещения. Методы расчета.расчет искусственной освещенности по коэффициенту использования светового потока 20.13 KB
  В осветительных установках предназначенных для освещения предприятий в качестве источников света широко используются газоразрядные лампы и лампы накаливания. К основным характеристикам источников света относятся: номинальное напряжение В; электрическая мощность