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

38941. Применение лидаров для исследования загрязнения вод 226.5 KB
  Пробы любой воды за исключением воды наивысшей чистоты флуоресцируют. Так называемая синяя флуоресценция воды является источником значительных трудностей при флуоресцентных исследованиях но такая флуоресценция полезна для изучения качества воды с использованием лазерного дистанционного зондирования ЛДЗ. Очищенные сточные воды предприятий целлюлознобумажной промышленности можно контролировать с помощью флуоресцентного метода т. эти воды содержат сульфонат лигнина высокой концентрации.
38942. Лидар для исследования состава атмосферы 59.5 KB
  Лидар для исследования состава атмосферы Литвинов Действие лидаров Л этого типа чаще всего основано на неупругом обратном комбинационном рассеянии ОКР зондирующего лазерного излучения ЛИ молекулами газовых компонент ГК имеющих вынужденные колебательновращательные энергетические переходы при взаимодействии с зондирующим ЛИ. При этом с помощью Л по смещению спектральных линий принимаемого излучения ОКР устанавливается наличие в исследуемом участке атмосферы атм определенных ГК а по интенсивности этих линий концентрация...
38943. Лидар для измерения концентрации озона в атмосфере 34 KB
  Действие лидаров для исследования атмосферы основано на том что лазерное излучение распространяясь в реальной атмосфере оставляет в ней свет вызванный взаимодействием квантов излучения с неоднородностями в атмосфере. Это взаимодействие проявляются в упругими неупругом рассеянии лазерного излучения в атмосфере при котором обрся эхосигналы лаз. рассеяния они несут информацию о сввах и параметрах атмосферы что следует из формулы для пиковой мощности принимаемого эхосигнала: Pи пиковая мощность зандирующего импульса лаз. Зрачка...
38944. Применение лидаров для обнаружения и идентификации нефтяного поверхностного загрязнения вод 564 KB
  Если ЗЛИ имеет соответсвующую длину волны УФ то возникает флюоресценция свечение нефтяного пятна: стрелки 22 а также комбинационное рассеяние КР ЛИ стрелки 33 и на молекулах воды стрелки 44. Жизнеспособность фитопланктона свидетельствует о чистоте воды. Эффект флюоресценции воды можно использовать для индикации сильных органических загрязнений и т. О наличии на поверхности воды нефтяной пленки можно судить и по интенсивности отраженного ЛИ 11.
38945. Определение, назначение, действие, применение и классификация лидаров 244 KB
  Действие лидара основано на таких свойствах лазерного излучения как высокая мощность квазимонохроматичность направленность и малая длительность импульсов и таких физических процессах как упругое молекулярное и упругое аэрозольное рассеяние упругое резонансное и неупругое комбинированное рассеяние флюоресценция и поглощение лазерного излучения при его взаимодействии с атомами молекулами и другими частицами веществ в окружающей среде. При распределении зондированного лазерного излучения ЛИ от передающего устройства лидара в исследуемой...
38946. Типы и характеристики излучения лазеров для лидаров 26.5 KB
  Если в лидаре используется лазер с перестраиваемой частотой или длиной волны зондирующего излучения υи = с λи то лидар можно применять для лазерного химического анализа состава атмосферы Земли на основе эффекта комбинационного рассеяния молекулами химических соединений компонент атмосферы. Лидар с перестраиваемой λи зондирующего лазерного излучения может быть использован для химического анализа атмосферы Земли путем измерения интенсивности после прохождения исследуемой трассы. Поэтому исследуя зависимость интенсивности прошедшего в атмосфере...
38948. Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом 558 KB
  Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Действия лидаров для исследования атмосферы основано: лазерное излучение распространяясь в реальной атмосфере оставляет в ней след вызванный взаимодействием фотонов лазерного излучения с атомами и молекулами газов частицами аэрозолей и неоднородностями атмосферы обусловленными турбулентными вихревыми движениями воздуха. Это взаимодействие прежде всего проявляется в упругом и неупругом рассеянии лазерного излучения в атмосфере при которых в частности образуется...
38949. Методические погрешности анализа спектра с использованием процедуры ДПФ. Растекание спектра (эффект Гиббса - leakige). Слияние отсчетов спектра 20.21 KB
  Методические погрешности анализа спектра с использованием процедуры ДПФ. Растекание спектра эффект Гиббса lekige. Слияние отсчетов спектра.Эффект появления ложных спектральных составляющих При расчете параметров процедуры ДПФ выбирают некоторую граничную частоту fg из логарифмического уравнения и находят интервал дискретизации t как: t = 1 2 fg 1.