СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ОБЪЕКТИВА Российский патент 1994 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к контролю измерительной техники, а именно к способам измерения коэффициентов пропускания объективов и линз.

Известен способ измерения коэффициента пропускания объективов, заключающийся в том, что освещают объектив расходящимся пучком лучей, разделяют этот пучок на два световых пучка, устанавливая перед объективом светоделительную полупрозрачную пластину, формируют на выходе объектива из прошедшего светоделительную пластину первого пучка параллельный пучок лучей, отражают этот пучок в обратном направлении плоским автоколлимационным зеркалом и фокусируют отраженный от плоского зеркала и светоделителя пучок лучей на фотоприемник.

Отраженный от светоделителя второй световой пучок отражают эталонным сферическим зеркалом и также фокусируют на фотоприемник. Последовательно перекрывают непрозрачными шторками отраженный от светоделительной пластинки и прошедший ее световые пучки, пучок лучей и регистрируют сигналы U₁ и U₂ на выходе фотоприемника, пропорциональные потоку излучения до и после прохождения измеряемого объектива. По полученным результатам вычисляют коэффициент пропускания по формуле
r=
Основным недостатком указанного способа является невысокая точность измерений, обусловленная влиянием погрешностей изготовления отражающих покрытий плоского автоколлимационного и сферического эталонного зеркал, погрешностей аттестации коэффициентов отражения этих зеркал и нестабильность их коэффициентов отражения. Кроме того, наблюдаются потери (75-90% и более) потока излучения на светоделительной пластине.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения коэффициентов пропускания объективов, заключающийся в том, что берут в качестве контролируемых не менее трех объективов, вводят в поток излучения их сочетания по два последовательно установленных объектива, формируют параллельный ход лучей между ними. При этом объективы освещают расходящимся пучком лучей с апертурным углом, близким к апертурному углу проверяемых объективов, регистрируют сигналы а и b на выходе фотоприемника при его установке до и после прохождения излучением первого и второго объективов, регистрируют сигналы с и d на выходе фотоприемника при его установке после прохождения излучением первого и третьего, и второго и третьего объективов, и по полученным результатам определяют коэффициенты пропускания объективов по формулам
r₁= ; r₂= ; =
Однако и данный способ измерения коэффициентов пропускания объективов характеризуется низкой точностью измерений, обусловленной его малой чувствительностью (при измерении излучение проходит через объектив только один раз). Другим существенным недостатком известного способа является необходимость перемещения фотоприемника при измерении сигнала на входе в пары объективов и на выходе из объективов. При проведении высокоточных измерений это обстоятельство может служить источником дополнительных погрешностей, так как применяемые при таких измерениях (обычно многократно повторяемых) фотоприемники весьма чувствительны к неизбежному при их перемещениях механическому воздействию, что может приводить к нестабильности сигнала на выходе фотоприемника.

Целью изобретения является повышение точности измерений коэффициентов пропускания объективов.

Указанная цель достигается тем, что при способе измерения коэффициентов пропускания объективов, заключающемся в том, что берут в качестве контролируемых не менее трех объективов, вводят в поток излучения поочередно их сочетания по два последовательно установленных объектива, формируют параллельный ход лучей между ними, при этом объективы освещают расходящимся пучком лучей с апертурным углом, близким к апертурному углу контролируемых объективов, регистрируют сигналы а и b на выходе фотоприемника при его установке до и после прохождения излучения первого и второго объективов, регистрируют сигналы с и d на выходе фотоприемника при его установке после прохождения излучения первого и третьего и второго и третьего объективов соответственно, сигнал а регистрируют на выходе фотоприемника при попадании на него излучения, отраженного от устанавливаемого перед первым объективов сферического зеркала с центром кривизны в фокусе этого объектива, а сигналы b, c, d регистрируют соответственно на выходе фотоприемника, при попадании на него излучения, отраженного от устанавливаемого за вторым по ходу пучка лучей объективом сферического зеркала с центром кривизны в фокусе этого объектива и вновь прошедшего через испытуемые объективы, при этом коэффициенты пропускания объективов τ₁, τ₂, τ₃ определяют по формулам:
τ₁= ; τ₂= ; τ₃=
На фиг. 1 показаны оптическая измерительная схема и ход лучей в ней при проведении измерений фотоприемник установлен непосредственно в фокальной плоскости контролируемого объектива; на фиг. 2 - то же, фотоприемник установлен в плоскости изображения дополнительной проекционной системы; на фиг. 3 - то же, фотоприемники установлены в зеркале по разные стороны от оптической оси измеряемых объективов.

Два 1, 2 из трех 1-3 контролируемых объективов размещены на одной оптической оси. Объектив 3 размещают вне хода светового пучка, при этом все объективы (устройства для их крепления) выполнены взаимозаменяемыми по посадочным местам. Перед контролируемыми объективами 1 и 2 под углом α к их оптической оси расположены фокусирующая система 4 с фокусом в фокальной плоскости контролируемого объектива 1 и установленная перед ней апертурная диафрагма 5. Источник коллимированного излучения 6 (например коллиматор с монохроматическим осветителем) размещен перед апертурной диафрагмой 5, на одной оптической оси с фокусирующей системой 4. Непосредственно за фокусирующей системой 4 с фокусным расстоянием f_ф¹ размещено сферическое зеркало 7 с центром кривизны в фокальной плоскости фокусирующей системы 4 на расстоянии Δ= R˙tgα от ее фокуса, R - радиус кривизны сферического зеркала 7, выполненное с сферы с возможностью выведения с оптической оси объективов 1 и 2. Фотоприемник 8 размещен вблизи центра кривизны сферического зеркала 7, при этом середина чувствительной площадки фотоприемника смещена на расстояние Δ= R˙tgα от оптической оси контролируемых объективов 1 и 2, с противоположной от фокуса системы 4 ее стороны. Выход фотоприемника 8 совмещен с входом регистрирующего устройства 9.

Устройство может быть дополнительно снабжено небольшим зеркалом 10, установленным вблизи фокуса фокусирующей системы 4 серединой также на расстоянии Δ= R˙tgα от оптической оси контролируемых объективов и проекционной системой 11 (см. фиг. 2). Фотоприемник 8 размещают за проекционной системой 11 в плоскости изображений этой системы, при этом практически снимаются ограничения на конструкция и габариты фотоприемника 8.

Для повышения производительности труда устройство может быть дополнительно снабжено, кроме зеркала 10 и проекционной системы 11, коммутирующим зеркалом 12, при этом сферическое зеркало 7 и контролируемые объективы 1, 2 размещены по разные стороны от оптической оси фокусирующей системы 4 (см. фиг. 3). Коммутирующее зеркало 12 размещено вблизи изображения источника излучения 6 и выполнено с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через фокус фокусирующей системы 4. Зеркало 10 также выполнено с возможностью поворота, при этом ось поворота проходит через середину его зеркальной поверхности параллельно оси поворота зеркала 12. Проекционная система 11 расположена на одной оси с фокусирующей системой 4, перпендикулярно оптической оси контролируемых объективов 1 и 2.

Способ измерения коэффициентов пропускания объективов осуществляется следующим образом.

Берут в качестве контролируемых три положительных объектива 1, 2 и 3. Объективы 1 и 2 устанавливают в ходе пучка лучей последовательно на одно оптической оси за фокусирующей системой 4 с установленной перед ней апертурой диафрагмой 5. Фокус объектива 1 совмещают с плоскостью действительного изображения источника коллимированного излучения 6.

Устанавливают после фокусирующей системы 4 сферическое зеркало 7 центром кривизны в плоскости действительного изображения источника излучения 6, построенного фокусирующей системой 4.

Главный луч расходящегося пучка лучей после фокусирующей системы 4, проходящий через центр изображения источника коллимированного излучения 6, наклонен на угол α≈ 0,5-2,0^о к оптической оси объективов 1 и 2, при этом отраженный от сферического зеркала 7 сходящийся пучок лучей собирается на расстоянии Δ' = = 2R˙tgα от изображения источника излучения 6, построенного фокусирующей системой 4. Фотоприемник 8 устанавливают вблизи изображения источника излучения 6 так, чтобы элементы его корпуса не перекрывали пучок лучей на выходе фокусирующей системы 4 (фиг. 1).

На выходе фотоприемника 8 с помощью регистрирующего устройства 9 регистрируют сигнал а, пропорциональный потоку излучения на входе в контролируемые объективы 1 и 2.

Устанавливают сферическое зеркало 7 за объективами 1 и 2 центром кривизны в фокусе объектива 2. Параллельный пучок лучей на выходе объектива 1 фокусируется объективом 2 в его фокальной плоскости. Далее пучок лучей отражается от сферического зеркала 7, вновь проходит объективы 1 и 2, и фокусируется в фокальной плоскости объектива 2 на фотоприемник 8 (фиг. 1), регистрируют сигнал b, пропорциональный потоку излучения дважды прошедшему объективы 1 и 2.

Рассмотренные операции измерения сигнала на выходе регистрирующего устройства 9 при установке сферического зеркала 7 до и после измеряемых объективов повторяют для пар объективов 1 и 3 и 2 и 3, вводя поочередно в пучок лучей и регистрируя величины с и d для каждой пары объективов.

Измеряемые объективы 1-3 и сферическое зеркало 7 освещают при измерениях расходящимся пучком лучей с апертурным углом U_ф, близким к апертурному углу U_к измеряемых объективов, при этом
U_ф < U_к (1),
U_ф = arctg (2) где D_а - диаметр апертурной диафрагмы 5;
f_ф - фокусное расстояние фокусирующего объектива 4;
U_к = arctg (3) где D_к - световой диаметр измеряемых объективов;
f_к - фокусное расстояние контролируемых объективов.

По результатам измерений предложенным способом может быть составлена система уравнений:
τ21

×τ22= b/a; τ21×τ23= c/a; τ22×τ23= d/a
Решают систему уравнений относительно коэффициентов τ₁, τ₂, τ₃пропускания объективов 1, 2 и 3 и получают
_(4)
(5)
(6)
Коэффициент отражения сферического зеркала 7 при измерениях предложенным способом не влияет на точность измерений, т. к. зеркало 7 участвует в измерениях сигналов на выходе фотоприемника 8 до и после контролируемых объективов.

При установке в ходе пучка лучей после фокусирующей системы 4 зеркала 10 фотоприемник 8 размещается в плоскости изображений проекционной системы 11.

Существуют объективы такой конструкции, что разместить между фокальной плоскостью и последней поверхностью объектива вогнутое сферическое зеркало 6 достаточно сложно. В этом случае проще всего ход лучей изменить таким образом, чтоб объективы 1 и 2 и сферическое зеркало 7 размещались при измерениях по разные стороны от оптической оси фокусирующей системы 4 (фиг. 3). Для этих целей можно использовать коммутирующее зеркало 12, поворот которого вместе с зеркалом 10 обеспечивает последовательное измерение сигналов а и b. По сравнению с вариантами измерительной схемы на фиг. 1, 2 такая схема измерений обеспечивает переустановку зеркала 7 без необходимости выведения объективов 1 и 2 с оптической оси фокусирующей системы, что несколько упрощает измерения (особенно при многократном их повторении). Более того, при таком варианте измерительной схемы могут быть использованы два одинаковых сферических зеркала 7, переустановка которых для исключения влияния различий в коэффициентах отражения зеркал может проводиться реже, чем в случае использования одного зеркала 7. Одно из зеркал закрепляется центром кривизны в фокусе фокусирующей системы 4, другое устанавливается за контролируемыми объективами 1 и 2.

Пусть требуется измерить коэффициенты пропускания трех объективов с фокусным расстоянием f_к¹ = 250 мм и световым диаметром 100 мм для волны λ = 0,63 мкм.

В качестве источника излучения может быть использован лазер на гелий-неоне, снабженный соответствующим телескопическим расширителем, приемник излучения - кремниевый фотодиод с чувствительной площадкой диаметром 3-10 мм.

Параллельный пучок излучения на выходе расширителя ограничивается до необходимой апертуры, при этом из выражений (1), (2) и (3) имеем: < (4). При выбранном фокусном расстоянии фокусирующего объектива 4 f_ф = 75 мм из выражения (4) имеем
D_a < или D_a <
D_a < 30 мм Установив диаметр апертурной диафрагмы 5 равным 25 мм, можно измерить коэффициенты пропускания объективов в пределах световой зоны диаметром
D = = = 80 мм
Пусть сигнал на выходе регистрирующего устройства 9 (например вольтметра) при установке сферического зеркала 7 перед измеряемыми объективами составляет 1,00 В. Сигналы b, c и d, измеренные при установке сферического зеркала за парами контролируемых объективов 1 и 2, 1 и 3, 2 и 3, равны соответственно, 0,36, 0,45 и 0,40 В.

Подставляя измеренные значения величин а; b; c; d в предложенные формулы (4), (5) и (6) получают
τ₁= = 0.798;
= 0.775;
τ₃= = 0.84.

Относительная погрешность Δτ/τ измерений коэффициентов пропускания объективов можно получить дифференцируя логарифмы формул (4), (5) и (6):
Δτ/τ= Δa/4a+Δb/4b+Δc/4c+Δd/4d (7) где Δa, Δb, Δc, Δd - погрешности измерений величин a₁, b₁, c, d. При Δa= Δb= Δc= Δd = 0,005 В относительная погрешность измерений коэффициентов пропускания объективов предложенным способом составит:
= + + + = 0.011
или Δτ/τ = 1,1%
При измерении всех трех объективов способом-прототипом с учетом того, что измеренные величины b, c, d будут в 1/r₁ 1/r₂ и 1/r₃ раз больше, чем в предложенном способе (излучение проходит измеряемые объективы только один раз), относительная погрешность измерений определяется по формуле
_++=0,018
или Δτ/τ = 1,8% . (56) Приборы и техника экспериментов, N 4, 1979, с. 237-238.

Авторское свидетельство СССР N 1435980, кл. G 01 M 11/02, 1985.

Использование: в контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: в качестве контролируемых берут три объектива 1, 2, 3, устанавливают поочередно их сочетания по два последовательно установленных объектива на одной оптической оси. Устанавливают перед объективом 1 сферическое зеркало 7 центром кривизны в фокусе этого объектива. Освещают его расходящимся пучком лучей с апертурным углом, близким к апертурному углу контролируемых объективов. Устанавливают фотоприемник 8 перед контролируемыми объективами в ходе отраженного от зеркала 7 потока излучения и регистрируют сигнал a. Устанавливают зеркало 7 за объективом 2 с центром кривизны в его фокусе. Освещают объективы 1, 2 расходящимся пучком лучей с апертурным углом, близким к апертурному углу контролируемых объективов. Формируют параллельный ход лучей между первым и вторым контролируемыми объективами и регистрируют сигнал b. Затем регистрируют сигналы c и d на выходе фотоприемника после установки в поток излучения первого и третьего и второго и третьего объективов. По полученным результатам вычисляют коэффициенты пропускания объективов. 3 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ОБЪЕКТИВА, заключающийся в том, что берут в качестве контролируемых не менее трех объективов, вводят в поток излучения поочередно их сочетания по два последовательно установленных объектива, формируют параллельный ход лучей между ними, при этом объективы освещают расходящимся пучком лучей с апертурным углом близким к апертурному углу контролируемых объективов, регистрируют сигналы a и b на выходе фотоприемника при его установке до и после прохождения излучения первого и второго объективов, регистрируют сигналы c и d на выходе фотоприемника при его установке после прохождения излучения первого и третьего и второго и третьего объективов соответственно и по полученным результатам определяют коэффициенты пропускания объективов, отличающийся тем, что сигнал a регистрируют на выходе фотоприемника при попадании на него излучения, отраженного от устанавливаемого перед первым объективом сферического зеркала с центром кривизны в фокусе этого объектива, а сигналы b, c, d регистрируют соответственно на выходе фотоприемника при попадании на него излучения, отраженного от устанавливаемого за вторым по ходу пучка лучей объективом сферического зеркала с центром кривизны в фокусе этого объектива и вновь прошедшего через испытуемые объективы, при этом коэффициенты пропускания объективов τ₁ , τ₂ , τ₃ определяют по формулам
τ₁=
τ₂=
τ₃=