Элементы «практической оптики» — зажигательное действие линз и зеркал — были известны еще в глубокой древности. До нашего времени сохранилось немало бесспорных свидетельств древних авторов о зажигательном действии стекол и зеркал. Основные оптические явления — прямолинейное распространение света, независимость световых пучков, отражение от зеркальной поверхности и преломление света на границе двух прозрачных сред — были установлены опытным путем Евклидом и Аристотелем.
Оптики античности, хотя и проявляли живой интерес к природе и свойствам света, но оптических приборов как таковых не создали. Это было связано прежде всего с незнанием строения и функций глаза, да и вообще механизма зрения. Возможность получения действительных изображений при помощи оптических систем им также оставалась неизвестной. Картина развития оптики резко изменилась в средние века, когда ученым (Альхазену и др.) удалось установить, что зрение вызывается внешними лучами, приходящими в глаз от предметов.
Появление и развитие телескопических систем в XVII в. вызвало подлинную революцию как в оптике, так и в астрономии. Собственно именно благодаря широкому практическому использованию телескопических систем родилась техническая оптика как наука, а в астрономии появились новые приборы (телескопы, гелиоскопы и др.), дающие возможность, с одной стороны, более глубоко изучать Вселенную, а с другой,— способствующие дальнейшему прогрессу в развитии технической оптики.
1. Понятие телескопической системы
Телескопическая система – оптическая система, с помощью которой можно рассматривать увеличенное изображение удаленного объекта. К числу таких приборов относятся бинокли, зрительные трубы, телескопы, перископы, дальномеры и геодезические приборы (теодолиты, нивелиры и другие).
Схема телескопической системы состоит из двух компонентов: объектива и окуляра. Располагают их таким образом, чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фокусом окуляра. Объектив создает действительное перевернутое изображение предмета в своей задней фокальной плоскости, а окуляр позволяет рассматривать это изображение глазом (рис. 1).
Для компенсации дефектов глаза (близорукость, дальнозоркость) в зрительных трубах обычно предусматривается возможность фокусировки (продольного перемещения) окуляра.
Рис. 1. Телескопическая система
Поскольку рассматриваемые предметы находятся бесконечно далеко, входные пучки считаются параллельными. От осевых предметных точек приходят пучки параллельные оптической оси, от внеосевых предметных точек приходят пучки, наклоненные к оси под углом (рис. 1).
Геометрическая оптика
... луч, продолжение которого проходит через фокус: * Примеры построения изображения точки в собирающей линзе Построение изображения в собирающей линзе Построение изображения в рассеивающей линзе Д) Формула линзы ДABO подобен ДA'B'O , ... отражение найдем, положим в законе преломления r = р/2 , тогда Sin r = 1 , значит: оптика свет отражение преломление 3. Тонкие линзы Линза - система двух, чаще всего ...
Из телескопической системы пучки будут выходить под углом .
Фокусы телескопической системы расположены в бесконечности, фокусные расстояния равны бесконечности.
2. Объективы телескопических систем
Оптическая система в зависимости от решаемой задачи может обстоять из различных оптических элементов, которые можно классифицировать следующим образом:
1. объективы;
2. окуляры;
3. коллективы;
4. оборачивающие системы;
5. отклоняющие системы.
Объективы оптический приборов выполняют функцию преобразования информации, которую несет лучистый поток, идущий от объекта. Объектив может быть частью оптической системы или самостоятельной оптической системой, например, фотографические, киносъемочные, проекционные, телевизионных камер и др.
В зависимости от назначения объективы имеют различную конструкцию, но они обязательно включают в себя силовые оптические элементы, которые способны преобразовывать форму светового пучка, несущего информацию об объекте.
Общим для всех объективов являются их основные характеристики, к которым относятся:
- фокусное расстояние f’;
- относительное отверстие D/f’ или диафрагменное числе К;
- поле зрения 2?’ (2y’);
- разрешающая способность и качество изображения.
По конструкции их можно разделить на линзовые (диоптрические), зеркально — линзовые (катодиоптрические) и зеркальные (катоптрические) (рис. 2).
Рис. 2. Конструкции объективов
В зависимости от величины поля зрения, относительного отверстия и качества изображения объективы имеют различную сложность.
Но назначению объективы можно подразделить на:
- объективы телескопических систем,
- объективы микроскопов,
- фотообъективы (кинообъективы),
- проекционные объективы.
Объективы телескопических систем имеют малое поле зрения (до 150), относительное отверстие (1:12 до 1:40), фокусное расстояние от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.
Линзовые объективы состоят из 2 или 4 линз. Наиболее распространены двухлинзовые. Линзы у объективов диаметром до 100 мм, как правило, склеивают, при больших диаметрах устанавливают в оправы с воздушным промежутком, т. к. при склейке могут появляться напряжения, которые снижают качество изображения.
Не склеенные объективы имеют лучшее качество изображения при тех же характеристиках, однако они требуют более сложную оправу, которая обеспечит центрировку компонентов.
Линзовые объективы телескопических систем имеют предел по своей величине, т.к. возникают технологические трудности при получении большой массы стекла с хорошими оптическими характеристиками.
Самым большим линзовым объективом является объектив телескопа, установленного в Иеркской обсерватории (США).
Он имеет диаметр 1,02 м и фокусное расстояние f ‘ = 18,9 м.
Зеркальные объективы имеют ряд преимуществ перед линзовыми, т.к. при этом значительно уменьшается длина трубы и полностью отсутствуют хроматические аберрации. Недостатком является неполное использование светового отверстия, трудности в устранении сферической аберрации, что вынуждает применять асферические поверхности.
Сборка объективов насыпной конструкции Расчет автоколлимационных точек
... оптической осью системы. В зависимости от точности центрирования линз различают следующие основные типы объективов. 1. Объективы «насыпной» конструкции, в которых линзы в оправах при сборке ... изображения); надежную и длительную работу объектива в реальных условиях эксплуатации; выпуск необходимого количества объективов в установленные сроки. сборки объектива имеет два этапа: предварительную ...
Впервые зеркальные объективы появились в 1616 году. Дальнейшее развитие они получили в 19 и начале 20 веков. Преимущественно эти системы были катодиоптрическими.
Из зеркальных объективов наибольшее распространение получил объектив Кассегрена. Он состоит из двух зеркал: большого — параболического и малого выпуклого — гиперболического. По этой схеме построены все большие телескопы.
Из катодиоптрических систем наибольшее распространение получил объектив Шмидта, который состоит из сферического зеркала и коррекционной асферической пластинки, установленной в центре кривизны зеркала.
Рис.3. Объектив Шмидта
Длина такой системы равна двум фокусным расстояниям зеркала, что является недостатком. Применение пластинки Шмидта с системой Кассегрена устраняет этот недостаток и дает возможность сделать поверхности обоих зеркал сферической формы.
В 1941 году профессор Максутов Д. Д. предложил вместо пластинки Шмидта устанавливать ахроматическим мениск со сферическими поверхностями (рис.4).
Рис. 4
Кроме указанных систем, применяют коррекционные линзы в узкой части пучка, зеркала при этом имеют сферическую поверхность (рис.5).
В фокусе объектива устанавливают фотопластинку, телевизионную передающую трубку и другие приемники.
Рис. 5.
Значительное уменьшение длины объектива позволяет получить система телеобъектива. Это достигается вынесением задней главной плоскости вперед (рис.6).
Рис. 6.
Такие системы применяются в зрительных трубах и фотообъективах. Дополнительной характеристикой системы будет коэффициент телеобъектива — КТ, КТ = 0,6 ч 0,9.
3. Сборка объективов телескопических систем
Сборочный технологический процесс может быть построен по принципу концентрированных и дифференцированных операций.
По принципу дифференцированных операций процесс сборки и юстировки делится на мелкие операции, проводимые с простыми узлами. Способ не требует высококвалифицированной рабочей силы, но может быть реализован при высоком уровне технологии и сборки и технологической оснастки. Позволяет вести сборку узлов параллельно на нескольких рабочих местах, благодаря чему является высокопроизводительным. Применяется в массовом и крупносерийном производстве, но может быть использован в серийном и мелкосерийном производстве с меньшей степенью дифференциации.
При дифференцированном способе каждый узел юстируется с отклонениями, не превышающими установленные пределы, и поэтому качество юстировки прибора здесь может быть достигнуто более высокое, т.к. компенсация ошибок при этом не применяется. Вместо этого здесь используются специальные компенсаторы и замыкающие звенья, устраняющие накопленные погрешности.
Принцип концентрированных операций отличается тем, что сборка и юстировка ведется укрупнено над крупными узлами или даже прибором в целом одним или несколькими рабочими.
Концентрированные операции применяются при сборке единичных приборов, опытных образцов. Требует более высококвалифицированную рабочую силу. При методе концентрированных операций широко используется взаимная компенсация погрешностей, вследствие которой иногда в приборе появляются скрытые дефекты, как например, косой ход главных лучей, вызывающий виньетирование и понижение качества изображения. Поэтому метод концентрированных операций нуждается в проведении промежуточного контроля операций.
Погрешности измерений, их классификация. Системы и схемы сертификации
... с определенными условиями его поверки. Все погрешности средств измерений в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные. Основная погрешность - это погрешность средства измерения при нормальных условиях ... как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций. Тема второй части работы «Системы и схемы сертификации» выбрана ...
4. Юстировка объективов телескопических систем
Юстировкой (от нем. justieren — выверять) называется процесс, выполняемый во время или после сборки приборов и узлов, для достижения в них необходимых технических характеристик (показателей качества) путем устранения или компенсации погрешностей.
На практике и в отечественной литературе термин «юстировка» обычно применяют к оптическим приборам и узлам; термин «регулировка» — к механизмам и электромеханическим устройствам; термин «настройка» — к электронным приборам и устройствам. В немецкоязычной литературе термин «юстировка» применяется ко всем видам приборов, устройств и прецизионных машин.
Юстировка обычно входит в плановое обслуживание приборов. Затем, при необходимости, производится поверка. Процесс юстировки в общем случае заключается в следующем:
1) выявлении погрешностей прибора или его элементов, превосходящих допустимые значения.
2) выработке коррекционного юстировочного сигнала на исполнительное устройство, осуществляющее коррекцию.
3) воздействии юстировочным устройством на определенные cтруктурные элементы прибора (функциональные устройства, узлы детали) или специально вводимые в конструкцию компенсаторы с целью устранения недопустимых отклонений характеристик устройства от требуемых значений (исполнение коррекции).
4) фиксация юстируемых элементов для надежного закрепления их положения, состояния, свойств, измененных в результате юстировки.
5) измерении требуемых технических характеристик (контроль результатов юстировки) прибора или узла
Необходимость юстировки объективов обуславливается тем, что ошибки при проектировании их и погрешности их изготовления (отклонения характеристик материалов, погрешности размеров, форм, положения деталей), обычно не позволяют получить непосредственно после сборки необходимых показателей качества (в первую очередь, качества изображения и точности).
Требуется проведение дополнительных мероприятий по устранению или компенсации тех или иных погрешностей путем подвижек деталей, деформаций, дополнительной обработки, воздействия на их свойства или результат функционирования и т.д. для обеспечения заданных характеристик объектива.
При эксплуатации объективов иногда также возникает необходимость их юстировки в результате действия эксплуатационных погрешностей и факторов (износ и старение элементов, изменение их положений и характеристик из-за влияния сил, вибраций, ударов, перепада температуры и т.п.).
В процессе эксплуатации приборов применяются также операции их «выверки», «настройки», «наладки», «калибровки» — представляющие собой мероприятия по ориентации прибора в пространстве, обеспечении необходимых режимов работы, введения поправок в цену деления (отсчет) и т.д., которые следует отличать от понятия «юстировка».
Рассмотрим пример, показывающий необходимость осуществления юстировки в телескопических приборах и узлах.
Контроль качества строительных материалов
... исходных документов по контролю качества»; «Порядок проведения и организации входного контроля качества и испытаний материалов, изделий, оборудования»; «Порядок проведения операционного контроля качества при производстве СМР, ... в организации СК, — 2 года; для документации, относящейся к качеству строительных объектов, — равным сроку действия контракта, включая срок гарантийных обязательств ...
На рис.7. изображена конструкция телескопической трубки, в которой склеенный объектив строит изображение на сетке или ПЗС — приемнике. Из-за погрешности заднего вершинного фокального отрезка ( D S’F) объектива 1, погрешности расстояния (D l) между опорными торцами трубки 2, изображение, строящееся объективом в фокальной плоскости, будет располагаться на расстоянии D Z от плоскости сетки или чувствительной площадки ПЗС — приемника 3.
Рис. 7. Конструкция телескопической трубки
В лучшем случае, допуск на ?Z не должен превышать дифракционной глубины резкости объектива TД: D Z _ ТД = l /2 А’2,
где l — рабочая длина волны излучения, А’ — задняя апертура объектива.
Для светосильных объективов этот допуск равен обычно нескольким микронам, для несветосильных — нескольким десяткам микрон.
Например, для объектива с фокусным расстоянием f’ = 100 мм и световым диаметром 20 мм, при l = 0,55мкм получаем: D Z _ 0,55/2Ч 0,12 = 27,5 мкм
Выполнить такой допуск не представляется возможным, так как даже если точно выдержан отрезок l, то обеспечить погрешность вершинного фокусного расстояния с такой точностью нереально. Известно, что в серийном производстве погрешность фокусных расстояний объектива достигает (0,5-1)%.
В нашем случае: D f ‘ D S ‘f = (0,5-1)% Ч 100 мм = (0,5-1) мм, то есть в 20-40 раз может превышать допустимое значение.
Следовательно, в конструкции телескопической трубки необходимо предусмотреть возможность юстировки расстояния между объективом и сеткой (приемником) для совмещения плоскости изображения с плоскостью сетки с помощью ступенчатых компенсаторов, регулировочных устройств и т.п.
Обобщенная структурная схема процесса юстировки объективов телескопических систем представлена на рис.8.
В общем случае исполнительное устройство воздействует на структурные элементы так, что устраняются, уменьшаются либо сами погрешности, либо результат действия погрешностей на тот или иной показатель качества прибора. Для выработки этого воздействия необходим управляющий коррекционный сигнал DZKна исполнительное устройство, который вырабатывается системой сравнения 3.
В систему сравнения поступают действительные значения погрешностей, полученные с помощью измерительных или эталонных устройств, а также их допустимые значения, известные из технических условий (ТУ) на объект юстировки. Если действительные значения погрешностей или показателей качества больше их допустимых значений, то вырабатывается коррекционный сигнал.
В зависимости от способа получения управляющего сигнала структурные схемы процесса юстировки могут быть построены по схемам, аналогичным схемам компенсации погрешностей; схеме вспомогательных измерений и схеме образцовых сигналов.
Рис. 8. Обобщенная структурная схема процесса юстировки
1 — объект юстировки;
2 — измерительное или эталонное устройство;
3 — система сравнения погрешностей (параметров) с их допустимыми значениями:
- X, Y — информативные параметры входного и выходного, соответственно, сигналов;
- q — конструктивные параметры объекта юстировки;
- q’ — влияющие факторы (сила трения, нагрузка, температура, вибрации и т.п.);
- f — функция, связывающая X и Y, X0,Y0, q0, q0′;
- f0 — расчетные (номинальные) значения перечисленных параметров;
- D qi, D qi ‘, D Yi и D qi0, D q’i 0, D Yi0 действительные и допустимые значения погрешностей;
- DZK — коррекционный управляющий сигнал на исполнительное устройство;
- DqK — юстировочное воздействие на структурные элементы, изменяющие их конструктивные параметры.
5. Контроль качества объективов телескопических систем
Процесс юстировки объективов включает в себя собственно технологическую (производственную) часть и контролирующую часть.
Развитие автоматизированных систем контроля
... развитием железных дорог, стала очевидна необходимость автоматизации железнодорожного транспорта и прежде всего создания автоматических приборов контроля скорости для обеспечения безопасности движения ... процесс, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Автоматизация — это основа развития современной промышленности, ...
Технологическая часть юстировки представляет собой производственный процесс по выполнению рабочих приемов и операций оптической регулировки элементов, схемы и конструкции. При этом критерием правильности результатов проведения операций юстировки являются в конечном счете показания оптических и других приборов. Эти приборы используются непосредственно в технологическом процессе юстировки. Такие приборы, которые непосредственно используются в процессе юстировки, называются оптическими приборами технологического контроля (ОПТК).
При аттестации, приемке (сдаче) готовых ОП используются контрольно-измерительные приборы (оптические, механические, электротехнические и др.).
Однако, весьма часто контрольно-измерительные приборы (КИП) используются совместно с ОПТК. Некоторые ОПТК содержат элементы КИП или КИП в целом. Такие приборы получили название контрольно-юстировочных (КЮ) ОП. Рассмотрим различные виды ОПТК.
Хотя для упрощения операции юстировки, повышения качества и производительности целесообразнее применять специализированные ОПТК, на практике, из-за недостатка времени на изготовление и материальных средств, весьма часто пользуются универсальными приборами, как для юстировки, так и для контроля.
Универсальными ОПТК называются такие приборы, которые могут использоваться для выполнения множества операций юстировки и контроля самых различных ОП.
К числу универсальных ОПТК можно отнести: коллиматоры, автоколлиматоры; зрительные трубы, астрономические трубы, трубки наблюдательные, лабораторные с сеткой и шкалами; теодолиты; гониометры; нивелиры; квадранты; уровни; микроскопы; лупы; фотометры; люксметры; осветители; поляриметры; интерферометры. Перечень этих приборов очень широк и может быть продолжен.
Следует заметить, что использование готовых универсальных ОПТК для контроля качества экономически не оправдано. Несмотря на то, что используются готовые ОПТК, имеющиеся в лабораториях, сборочных участках и отпадают затраты на изготовление ОПТК, применение универсальных ОПТК часто сопровождается экономическими потерями, превышающими затраты на новые специализированные ОПТК по следующим причинам:
Измерительные приборы
... притираться они являются универсальными и широко применяемыми средствами измерения и контроля. Область применения концевых ... предусматривает изготовление и использование трех типов штангенциркулей: ШЦ-1 с ценой деления ... с помощью малой стрелки. Шкала прибора имеет 100 делений с ценой ... пружинно-оптические. В производственных условиях и измерительных лабораториях для абсолютных измерений нашли широкое ...
- производительность юстировки с универсальными ОПТК понижается сложностью использования их, необходимостью выверки, согласования и поверки;
- возникают потери времени при транспортировке юстируемых изделий в лаборатории, оснащенной универсальными ОПТК;
- привлечение высококвалифицированных специалистов для приспособления универсальных ОПТК к задачам юстировки и для использования их при юстировке;
- понижение качества юстировки и в конечном счете качества выпускаемых ОП вследствие дополнительных погрешностей, вызванных нестабильностью выверки и согласования универсальных ОПТК с юстировочным узлом или ОП.
При подготовке производства новых ОП производится разработка технологической оснастки, в состав которой входят специализированные ОПТК.
Специализированные ОПТК применяются в следующих случаях:
- операцию юстировки нельзя выполнить с помощью универсальных ОПТК, или они не обеспечивают необходимую точность;
- необходимые универсальные ОПТК отсутствуют на сборочном участке;
- универсальные ОПТК невозможно использовать в производственных условиях (вибрация, нестабильность температуры, давления и т.п.);
- габариты универсальных ОПТК не позволяют разместить их на производственных участках;
- универсальные ОПТК не обеспечивают необходимой производительности при серийном или массовом производстве приборов (фотоаппаратов, биноклей и т.п.).
Специализированными ОПТК (СОПТК) называются такие, которые используются только для однотипных операций юстировки или контроля в узком диапазоне измеряемых, регистрируемых или контролируемых параметров.
СОПТК по сравнению с универсальными ОПТК обладают существенными преимуществами:
- минимизация рабочих приемов юстировки;
- простота обслуживания;
- минимизация поверок или полное устранение их (инвариантные СОПТК);
- сокращение времени согласования СОПТК или полное исключение операций согласования и выверки (инвариантные СОПТК)
- высокая производительность операций юстировки и контроля;
- более низкая себестоимость СОПТК по сравнению с универсальными ОПТК.
Внедрение СОПТК целесообразно и экономично для крупносерийного и массового производства ОП. Для мелкосерийного и единичного производства, особенно для юстировки опытных образцов, целесообразно использовать универсальные ОПТК
Унифицированные УСКЮ сочетают в себе положительные свойства универсальных и специализированных ОПТК и поэтому обладают преимуществами по сравнению с ними.
УСКЮ представляют собой агрегатно-блочные конструкции и системы, состоящие из унифицированных агрегатов, блоков и покупных изделий, позволяющих скомплектовать и собрать ОПТК необходимый для выполнения или контроля операции и юстировки.
Блоки и агрегаты по своим размерам и параметрам соответствуют структурным размерным и параметрическим рядам, диапазон номенклатуры размеров и параметров которых охватывает все их значения, необходимые для компоновки любых ОПТК.
Заключение
В заключение можно сказать, что роль и значение юстировки в процессе производства оптических приборов можно характеризовать удельным весом затрат труда и средств на завершающие операции производства — сборку и юстировку. Затраты на изготовление оптических приборов можно разделить на 2 категории:
История развития нового геодезического прибора «Электронный тахеометр»
... на приемник 4, (Рис. 13) Рис.13. Оптическая схема дальномера тахеометра в режиме измерений с призмой . После этого в ... приборов отливаются, а у форм есть пределы допуска, на правой колонке корпуса посадочное место под ось трубы делают подвижным для юстировки ... не должен переплачивать за невостребованные функции и возможности инструмента, стоимость которых может быть достаточно высока. С другой ...
- затраты на изготовление деталей оптических приборов,
- затраты на сборку и юстировку.
По последним существующим статистическим данным соотношение затрат составляло до перестройки: по 1 категории — 40%, по 2 категории — 60%. Более высокие затраты на сборку и юстировку можно объяснить следующими обстоятельствами: сложностью и разнообразием операций сборки и юстировки, отсутствием хорошо отработанных технологических процессов сборки и методик юстировки, отсутствием специализированного оборудования и приспособлений для сборки и юстировки, необходимостью более высокой квалификации рабочих-юстировщиков. С другой стороны выполнение требований к оптическим приборам невозможно обеспечить без юстировки и контроля выпускаемой продукции.
Производительность производства сильно зависит от эффективности методов и средств юстировки и технологического контроля. При недостаточной эффективности методов и средств юстировки и технологического контроля производство вынуждено идти на большие затраты, чтобы выполнить требования к оптическим приборам. А эффективность процесса юстировки и технологического контроля, в свою очередь, зависит от подготовки и опыта разработчиков методик и средств юстировки, контроля, испытаний и квалификации исполнителей.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/sborka-i-yustirovka-opticheskih-priborov/
1. Апенко М.И., Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике / М.: Высшая школа, 2003. — 591 с.
2. Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов / М.: Высшая школа, 2005. — 325с.
3. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и оптических систем. / М.: Логос, 2000. — 581 с.
4. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории / М.: Машиностроение, 2004. — 333 с.
5. Крынин Л.И. Основы проектирования конструкций объективов / СПб.: ИВА, 2006. – 268 с.
6. Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. / М.: Машиностроение, 2006. — 304 с.
7. Новик Ф.С. и Ногин П.А. Киносъемочная оптика / М.: Искусство», 1968.- 325 с.
8. Прикладная оптика / под ред. Дубовика А.С — М.: Машиностроение, 2002. — 470 с.
9. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов Машиностроение, 2002. — 320 с.
10. Справочник конструктора оптико-механических приборов / под ред. Панова В.М. – М.: Машиностроение, 2000. — 742с.
11. Справочник технолога-оптика / под ред. М.А. Окатова, СПб.: Политехника, 2004. — 679 с.
12. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения / М.: ЭКСМО, 2007.- 270 с.
