СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА СТЕКЛЯННОГО КЛИНА Российский патент 2003 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к технической физике, конкретно к технике прецизионных измерений углов оптических призм и клиньев, и может быть использовано в оптическом приборостроении при производстве и эксплуатации оптической элементной базы.

При проведении работ по аттестации оптических угломерных средств измерений: автоколлиматоров, лазерных измерителей угловых перемещений, - измерении фокусных расстояний длиннофокусных оптических систем и ряда других находят применение стеклянные клинья с малым углом при вершине (к малым углам условно относим углы клина, равные или более 120'). Измерение этого угла с высокой точностью представляет сложную техническую задачу, к настоящему времени нерешенную до конца.

Известен способ измерения угла стеклянного клина /В.А. Афанасьев. Оптические измерения, М. : Высшая школа, 1981, с.80/, в котором на стеклянный клин направляют пучок света от автоколлиматора, совмещают перекрестие сетки на автоколлимационном изображении с перекрестием от каждой поверхности вращением столика с клином или автоколлимационной трубы при неподвижном клине. Разность отсчетов по лимбу составляет угол β, а его дополнение до 180^o есть измеряемый угол клина θ:
θ = 180^°-β
Способ прост в исполнении, но для малых углов клина не дает достаточной точности.

Известен выбранный нами в качестве прототипа способ определения угла стеклянного клина /А. И. Омельченко. Об измерении малых углов отклонения стеклянных клиньев с высокой точностью. Оптико-механическая промышленность, 1965, 2, с.33/. В этом способе формируют узкий параллельный пучок света, направляют его на исследуемый клин, который размещают между частично прозрачным и глухим зеркалами, осуществляют многократное прохождение пучка света через стеклянный клин, измеряют угол между входящим и выходящим пучками света и вычисляют значение угла клина. Однако при высокой чувствительности способ имеет существенные технологические недостатки. Во-первых, он требует высокой степени точности юстировки, до долей секунды, во-вторых, с неменьшей точностью должны быть соблюдены условия перпендикулярности оптической оси системы зеркал. Эти требования трудно выполнимы и ограничивают применение способа.

Нами обосновано, что при прохождении пучком лучей стеклянного клина существует взаимосвязь между углом стеклянного клина и углом падения на клин при обеспечении автоколлимации. Нами также найдена аналитическая зависимость этих величин.

Нахождение этой зависимости позволило решить задачу определения углов оптических клиньев с высокой степенью точности. Предложенный способ технологически прост, т.к. исключает трудоемкие и технологически сложные операции по юстировке измерительной схемы, и инструментально доступен.

Такой технический результат достигнут нами, когда в способе определения угла стеклянного клина, включающем направление на клин параллельного пучка лучей, осуществление многократного прохождения пучка в клине, регистрацию направления вышедшего из клина пучка лучей и нахождение угла клина, варьируя угол падения пучка лучей на переднюю грань клина, обеспечивают совпадение падающего и выходящих пучков, подсчитывают общее число N отражений пучка лучей от граней клина, измеряют угол l_п падения пучка и рассчитывают угол клина из соотношения:

где n_в и n_ср - показатели преломления воздуха и стекла соответственно.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего заявленный способ.

Здесь источник 1 света, конденсор 2, щель 3, светофильтр 4, светоделительный кубик 5, сетка 6, содержащая перекрестие, окуляр 7, объектив 8, оптический клин 9, поворотный стол 10, l_п - угол падения пучка лучей, θ - угол клина, ←→ - направление поворота стола.

Способ осуществляется следующим образом.

Формируют параллельный пучок лучей и направляют его на переднюю грань клина. Для этого, например, от источника 1 свет направляют на конденсор 2 и освещают щель 3. После отражения от светоделительного слоя кубика 5 пучок лучей направляют объективом 8 на измеряемый клин 9.

Преломившись на поверхности раздела воздух-стекло, пучок лучей попадает в клин 9 и достигает задней грани клина, отразившись от которой, вновь направляется на переднюю грань клина. Таким образом осуществляется многократное отражение пучка лучей в клине. В зависимости от угла падения пучка лучей на переднюю грань клина пучок лучей может выйти из клина 9 или возвратиться назад после отражения по нормали от одной из граней клина, т.е. возникнет условие автоколлимации. Благодаря этому условию осуществляется точное совпадение направлений падающего и вышедшего пучков.

Осуществить условие автоколлимации нам позволяет найденное строгое аналитическое соотношение между углом падения l_п и углом клина при заданном числе отражений N

где n_в и n_ср - показатели преломления воздуха и материала клина.

Измерение угла клина сводится, по сути, к измерению угла падения l_п параллельного пучка лучей на переднюю грань клина, при котором после N отражений возникает условие автоколлимации.

При известной погрешности показателя преломления материала клина и воздуха общая погрешность определения угла клина в найденной зависимости будет определяться по формуле

где 2 - коэффициент, учитывающий то, что положение стола определяется нулевым и текущим отсчетами; l_п - погрешность определения угла падения пучка на клин; Δn_ср и Δn_в - погрешности определения материала клина и воздуха.

При этом составляющая общей погрешности, связанная с измерением угла падения, зависит от числа отражений N пучка внутри клина и будет в (N-1) раз меньше погрешности определения угла падения пучка на переднюю грань клина [1].

Пример конкретного исполнения.

Способ осуществлен на указанном устройстве, где в качестве источника света 1 использовалась лампа накаливания СЦ-64, роль конденсора 2 выполняла одиночная линза с фокусным расстоянием 12,3 мм, щель 3 представляла собой спектральную щель шириной 0,02 мм, как светофильтр 4 использовался узкополосный интерференционный светофильтр с λ_max=589,3 нм, светоделительный кубик 5 был склеен из двух прямоугольных призм из стекла К8 с покрытием 1И на гипотенузной грани одной из призм, сетка 6 и окуляр 7 объединены стандартным окуляр-микрометром MOB-1-16^х ГОСТ 7865-77. Объектив 8 состоял из двух линз и имел фокусное расстояние 200 мм, поворотный стол 10 использовался от оптической скамьи ОСК2, отсчет углов поворота стола осуществлялся с помощью теодолита ЗТ2КА, настроенного на автоколлимационное изображение от одной из граней клина. Измеряемый клин 9 устанавливался на поворотном столе 10. Клин представлял собой оптическую деталь диаметром 60 мм и толщиной 30 мм из стекла марки К108 с показателем преломления n_D=1,51630, с углом при вершине, равным 1^o19'7"±2", измеренным известными способами на гониометре. Для увеличения коэффициента отражения на обе грани клина перпендикулярно ребру были нанесены две временные полоски покрытия 1И по ОСТЗ-1901-85 шириной 20 мм с окном в покрытии размером 10х20 мм для входа падающего пучка. Коэффициент отражения покрытия, измеренный методом, описанным в [2], был равен 80%.

Для обеспечения перпендикулярности визирной оси объектива 8 передней грани клина 9, совмещения оси поворота стола 10 с передней гранью клина 9 в зоне входного окна и перпендикулярности оси поворота стола главному сечению клина установленный на поворотный стол клин выставляли угловыми и линейными подвижками вместе с поворотным столом. При этом автоколлимационные изображения от передней и задней граней клина при разворотах стола с клином совпадали с центром перекрестия сетки 6 окуляра 7.

Далее, разворотом стола клин устанавливали в исходное положение, при котором с центром перекрестия сетки 6 совмещали центр автоколлимационного изображения щели 3, полученного от передней грани клина. При этом производили нулевой отсчет углового положения поворотного стола с помощью теодолита поворотного стола. Затем, разворачивая стол 10 с клином 9, при контроле через окуляр 7 наблюдали за поочередным прохождением через поле окуляра 7 автоколлимационных изображений щели 3 после отражений в клине, фиксируя порядковый номер отражения N. Последнее, еще достаточно яркое для наблюдения, автоколлимационное изображение поворотом стола совмещали с центром перекрестия сетки 6 и фиксировали последний текущий отсчет углового положения стола по теодолиту поворотного стола. Находили разность последнего текущего и нулевого отсчета положения стола, представлявшую собой разворот стола для получения автоколлимационного изображения после 10 отражений пучка от граней клина, а так как нулевому положению соответствовало падение пучка по нормали, то угол разворота стола был равен углу падения l_п пучка на переднюю грань для выполнения условия автоколлимации после 10 отражений. Далее определили угол клина по найденной формуле.

Для приведенного случая при N=10 значение угла клина составило
θ = 1^°19′7″,3.
Расчет по формуле относительной погрешности определения угла клина

Таким образом, относительная погрешность составила 0,0014%.

Анализ погрешности определения угла клина по способу-прототипу для угла клина, приведенного в примере прототипа, показывает, что угол клина определен с относительной погрешностью 0,04%, что в 30 раз менее точно, чем по предлагаемому способу (0,0014%).

Предложенный способ определения малых углов оптических клиньев обладает высокой чувствительностью и точностью при простом приборном исполнении. Измерения по предлагаемому способу обеспечиваются простыми технологическими операциями с применением обычных измерительных средств и приспособлений. Способ найдет применение при контроле в процессе изготовления оптических клиньев, а также в практике оптических измерительных лабораторий при создании приборов с применением оптических клиньев с малыми углами.

Литература
1. Джон Тейлор. Введение в теорию ошибок. - М.: Мир, 1985, с.59.

2. Афанасьев В.А. Оптические измерения. - М.: Высшая школа, 1981, с.131.

Способ определения угла стеклянного клина включает направление на клин параллельного пучка лучей, осуществление многократного прохождения пучка лучей в клине, регистрацию направления вышедшего из клина пучка лучей и нахождение угла клина. Причем варьируя угол падения пучка лучей на переднюю грань клина, обеспечивают совпадение падающего и выходящего пучков, подсчитывают общее число N отражений пучка лучей от граней клина, измеряют угол l_п падения пучка и определяют угол θ клина. Технический результат - повышение точности определения углов оптических клиньев при использовании обычных измерительных средств и приспособлений с применением простых технологических операций. 1 ил.

Способ определения угла стеклянного клина, включающий направление на клин параллельного пучка лучей, осуществление многократного прохождения пучка лучей в клине, регистрацию направления вышедшего из клина пучка лучей и нахождение угла клина, отличающийся тем, что, варьируя угол падения пучка лучей на переднюю грань клина, обеспечивают совпадение падающего и выходящего пучков, подсчитывают общее число N отражений пучка лучей от граней клина, измеряют угол l_п падения пучка и определяют угол θ клина из соотношения

где n_в и n_cр - показатели преломления воздуха и материала клина соответственно.