СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ И ДЕЦЕНТРИРОВКИ Российский патент 1994 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения фокусных расстояний и децентрировки оптических систем.

Известен способ измерения задних фокальных отрезков линз [1], при котором на линзу направляют параллельный пучок света и измеряют расстояние между вершиной последней поверхности линзы и плоскостью, в которой фокусируется параллельный пучок света после линзы.

При измерении фокального отрезка микроскоп фокусируют на вершину последней поверхности линзы и снимают отсчет по шкале перемещений, затем фокусируют микроскоп на изображение тест-объекта и снимают второй отсчет. Разность отсчетов соответствует фокальному отрезку.

Недостатки этого способа: нельзя измерять большие фокальные отрезки, нельзя без изменения оптической схемы измерять отрицательные системы, высокие требования к точности базировки системы, так как надо измерение вести строго по оптической оси.

Известен способ измерения задней вершинной рефракции очковых линз [2], при котором на линзу направляют пучок света от тест-объекта (сетки) и наблюдают изображение тест-объекта через зрительную трубу, добиваясь его резкого изображения изменение расходимости падающего на линзу пучка света.

Недостатки этого способа: для точного измерения фокального отрезка необходимо центрировать линзу относительно оптической оси устройства, большое время измерения, так как надо центрировать линзу и проводить продольную фокусировку изображения сетки.

Известен способ измерения рабочего отрезка оптической системы [3], при котором на оптическую систему направляют световой пучок, измеряют фототок в двух точках, находящихся на известном расстоянии от последней поверхности оптической системы, и определяют величину заднего фокального отрезка по формуле
S= + Δr + r_y, (1) где Δ r - расстояние между точками, в которых измеряется фототок;
r_y - расстояние от последней поверхности оптической системы до одной из точек, где измеряются фототоки.

Недостаток способа: необходимо совмещать оптическую ось измеряемой системы с осью светового пучка и знать децентрировку измеряемой системы, иначе появляется ошибка вследствие разных углов падения пучка лучей на фотоприемники, т. е. большое время на совмещение осей и ошибка измерения при неизвестной децентрировке системы.

Известен способ измерения фокусных расстояний (метод увеличения) объективов [1] , при котором тест-объект, расположенный в фокальной плоскости объектива коллиматора и освещенный источником света через конденсатор, проектируется измеряемым объективом в его фокальную плоскость. Изображение тест-объекта (сетка с вертикальными штрихами) рассматривают с помощью микроскопа и измеряют расстояние между выбранными штрихами сетки окуляр-микрометром, установленным на микроскопе.

Фокусное расстояние измеряемого объектива определяется по формуле
f′= f , (2) где fк - фокусное расстояние объектива коллиматора;
y - расстояние между штрихами тест-объекта.

Недостаток способа: нельзя измерять большие фокусные расстояния, фокусные расстояния отрицательных систем, большое время на продольную фокусировку системы.

Общим недостатком всех вышеперечисленных устройств является то, что устройством можно измерять только какой-то один параметр или фокусное расстояние, или фокальные отрезки оптических систем.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения фокусных расстояний объективов (метод Фабри-Юдина( [4], при котором на измеряемый объектив направляют параллельный пучок света с сечением известного размера, располагают за измеряемым вспомогательную линзу и, измеряя размер сечения пучка в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы, определяют фокусное расстояние измеряемого объектива f1 по формуле
f′= f12

, (3) где D - размер сечения пучка, падающего на объектив;
D' - размер сечения пучка в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы;
f₁² - фокусное расстояние вспомогательной линзы.

При этом способе можно измерять и децентрировку измеряемого объектива. Если объектив децентрирован на величину C, то размер параллельного пучка от оси объектива в одном направлении будет + C , в другом - C и соответственно размер пучка в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы от оси будет в одном направлении
D = · f12

, в другом направлении
D = · f
Разность этих размеров будет
D - D = C , откуда
C = f′ (4) Причем измеряемая величина фокусного расстояния не зависит от величины децентрировки, так как
D′ = D + D = f (5)
Недостатки данного способа следующие: ограниченность диапазона измеряемых фокусных расстояний объективов, что связано с ограниченным полем зрения измерительного устройства; большее время измерения, связанное с необходимостью подбора диафрагм для каждого измеряемого фокусного расстояния, кроме того, при этом способе нельзя измерять фокальные отрезки оптических систем, если в этом возникает необходимость (например, в бинокулярных приборах нужно подбирать объективы по фокальным отрезкам и увеличению, т. е. по фокусному расстоянию) и нужно применять другие способы измерения фокальных отрезков, что опять-таки увеличивает время измерения.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых фокусных расстояний оптических систем, уменьшение времени измерения, а также при необходимости измерения фокальных отрезков объективов.

Цель достигается тем, что в способе измерения характеристик оптических систем фокусных расстояний и децентрировки сходящийся пучок света фокусируют вблизи передней фокальной плоскости вспомогательной линзы, устанавливают измеряемую оптическую систему вблизи точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, и измеряют размер сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы, затем изменяют (во времени или в пространстве) взаимное положение точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, относительно вершины передней поверхности измеряемой системы и измеряют размер сечения пучка в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы и по сравнению измеренных размеров сечений определяют требуемую характеристику измеряемой оптической системы по формулам
f′ = 2α·f (6)
-S_F = (7)
C = f′ (8) где f₁² - фокусное расстояние измеряемой оптической системы;
- S_F - передний фокальный отрезок измеряемой оптической системы;
D₁', D₂' - размер сечений пучка в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы для двух положений измеряемой оптической системы;
X₁, X₂ - расстояния от вершины передней поверхности измеряемой оптической системы до точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света;
2 α - угол между крайними лучами сходящегося пучка лучей;
f₂' - фокусное расстояние вспомогательной линзы;
C - децентрировка измеряемой оптической системы;
(D')_A, (D')_B - размер сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы от оси вспомогательной линзы до крайнего луча пучка света, измеренные в направлении децентрировки измеряемой системы и в противоположном направлении, для одного положения измеряемой оптической системы относительно точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света.

Способ отличается от прототипа тем, что на измеряемую оптическую систему падает сходящийся пучок света, в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы измеряют сечение пучка лучей, близкого к параллельному (коллимированного), измерение сечений пучка проводят для двух положений измеряемых оптических систем, кроме того, этим способом определяется дополнительная характеристика оптической системы - фокальный отрезок.

На фиг. 1 представлена схема, по которой осуществляется способ измерения характеристик измерения оптических систем: фокусных расстояний, фокальных отрезков и децентрировки; на фиг. 2, 3 - варианты устройств, на которых может быть реализован способ измерения характеристик оптических систем.

Способ измерения характеристик оптических систем: фокусных расстояний и децентрировки, при котором сходящийся пучок с углом 2 α между крайними лучами A и B фокусируется в точке F₁' вблизи передней фокальной плоскости F₂' вспомогательной линзы 2.

Измеряемую систему 1 с передним фокусным расстоянием -f и задним - f передним фокальным отрезком - -S_F и децентрировкой C устанавливают вершиной передней поверхности вблизи точки F₁' на расстоянии -Х, от вершины до F₁' и измеряют размер сечения пучка в задней фокальной плоскости линзы 2.

Из расчета хода лучей A и B размер сечения пучка в плоскости F₂' от оси линзы 2 до луча A будет
(-D)₁= -αf - f (9) и размер сечения пучка в плоскости от оси линзы до луча B будет
(D)₁= -αf + f (10)
Решая эти уравнения, получают
(D)₁-(-D) = 2f (11) откуда децентрировка измеряемой системы будет
C = f′ (8) и далее
D = (D)₁+(-D)₁= 2αf (12)
Затем изменяют взаимное положение точки F1 и вершины передней поверхности измеряемой системы на X₂ и получают размер сечения D₂' в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы 2
D = - 2αf (13)
Из (12) и (13) следует
F′ = 4αf
-S_F = X или при симметричном расположении вершины передней поверхности оптической системы относительно т. е. F', т. е. при
X₁=-X₂=X, (14) будет
f′ = 4αf (15)
Способ может быть реализован в устройстве (фиг. 2), в котором изменение взаимного положения точки, в которой фокусируется сходящийся пучок относительно вершины передней поверхности измеряемой линзы, происходит во времени.

Устройство содержит последовательно установленные источник 4 параллельного света, диафрагму 5 размером D и оптический канал, в котором установлены последовательно и соосно фокусирующая линза 6, базировочное приспособление 7, механизм 8 перемещения базировочного приспособления с отсчетным устройством 9, вспомогательная линза, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью фокусирующей линзы, измерительное устройство 3, например матричный фотоприемник, чувствительная площадка, которая установлена в задней фокальной плоскости впомогательной линзы.

Источник параллельного света освещает диафрагму 5 размером D и падает на фокусирующую линзу 6 с фокусным расстоянием f₁'. Сходящийся пучок света с углом α = проходит измеряемую оптическую систему 1, установленную на базировочном приспособлении 7 на известном расстоянии X₁ от вершины передней поверхности измеряемой системы до передней фокальной плоскости вспомогательной линзы 2, и вспомогательную линзу. С помощью измерительного устройства 3 измеряют размер сечения D₁' пучка лучей в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы.

Перемещают базировочное приспособление 7 с измеряемой оптической системой на некоторое расстояние вдоль оптической оси и по отсчетному устройству 9 определяют расстояние -X₂ от вершины передней поверхности измеряемой оптической системы до передней поверхности измеряемой оптической системы до передней фокальной плоскости вспомогательной линзы 2.

С помощью измерительного устройства 3 измеряют размер сечения пучка D₂' в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы 2.

Измеряемую оптическую систему желательно располагать вблизи переднего фокуса вспомогательной линзы, так как тогда на измерительное устройство падает пучок лучей, близкий к параллельному, и на измерительном устройстве (фотоприемнике) будет более контрастное пятно и точность измерения будет выше. Вместо отсчетного устройства 9 могут быть установлены два упора. В таком случае перемещение базировочного приспособления 7 не измеряется, а фиксируется в рабочих положениях по упорам.

Способ может быть реализован также в устройстве (фиг. 3), в котором изменение взаимного положения точки, в которой фокусируется сходящийся пучок относительно вершины передней поверхности измеряемой линзы, происходит в пространстве.

Устройство содержит последовательно установленные источник 4 параллельного света и два идентичных оптических канала, оси которых параллельны и смещены в осевом и поперечном направлениях друг относительно друга, и соосно установлена диафрагма 5, фокусирующая линза 6, вспомогательная линза 2, передний фокус которой совпадает с задним фокусом фокусирующей линзы, измерительное устройство 3, например матричный фотоприемник, чувствительная площадка, которая располагается в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы, симметрично осей обеих каналов и вблизи передних фокальных плоскостей вспомогательных линз расположено базировочное приспособление 7.

Параллельный пучок света от источника 4 в каждом канале проходит диафрагму 5 размером D, фокусирующая линзу 6 с фокусным расстоянием f₁' и превращается в сходящейся. Сходящийся пучок света с углом между осью и крайним лучом α = проходит измеряемую оптическую систему 1, установленную на базировочном приспособлении 7, и вспомогательную линзу 2 и падает на измерительное устройство 3.

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению. Сущность: способ измерения характеристик оптических систем: фокусных расстояний, фокальных отрезков и децентрировки заключается в том, что сходящийся пучок света фокусируют вблизи передней фокальной плоскости вспомогательной линзы, устанавливают измеряемую оптическую систему вблизи точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, и измеряют размер сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы. Изменяют (во времени или в пространсве) взаимное положение точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, относительно вершины передней поверхности измеряемой системы и измеряют размер сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы и по сравнению измеренных размеров сечений определяют требуемую характеристику измеряемой оптической системы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ И ДЕЦЕНТРИРОВКИ, заключающийся в измерении размера сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы, отличающийся тем, что перед операцией измерения размера сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы сходящийся пучок света фокусируют вблизи передней фокальной плоскости вспомогательной линзы, устанавливают измеряемую оптическую систему вершиной передней поверхности вблизи точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, затем изменяют взаимное положение вершины передней поверхности измеряемой оптической системы и точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света, повторяют измерение размера сечения пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы и определяют фокусное расстояние по формуле
f′ = 2α·f ,
где f₂^′ - фокусное расстояние вспомогательной линзы;
2α - угол между крайними лучами сходящегося пучка света;
x₁, x₂ - расстояния от вершины передней поверхности измеряемой оптической системы до точки, в которой фокусируется сходящийся пучок света;
D₁^′, D₂^′ - размеры сечений пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы, соответствующие расстояниям x₁, x₂,
а фокальный отрезок измеряемой оптической системы определяют по формуле
-S_F = ,
децентрировку измеряемой оптической системы определяют по формуле
C = f′ ,
где D_A^′, D_B^′ - размеры сечений пучка света в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы от оси вспомогательной линзы до крайнего луча пучка света, измеренные в направлении децентрировки линзы и противоположном направлении при одном положении измеряемой системы относительно сходящегося пучка света. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения обработки результатов измерения, принимают x₂=-x₁=x, а f¹ и -S_F определяют как
f′ = 4α· f и -S_F = X
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры сечений в задней фокальной плоскости вспомогательной линзы измеряют с помощью матричного фотоприемника.