Оптическая система для высокоточных контрольно-измерительных приборов Советский патент 1991 года по МПК G02B27/30 

Фм.1

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в высокоточных приборах, например в дальномерах, коллиматорах и т.д.

Целью изобретения является повышение функциональной надежности путем обеспечения независимости положения изображения от поперечных смещений компонентов.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема системы; на фиг. 2 - эквивалентная оптическая система без зеркала.

Оптическая система содержит положительную линзу 1, в главной плоскости которой установлена сетка 2, компенсатор 4 аберраций, плоское зеркало 4, установленное на удалении от сетки 2, равном половине фокусного расстояния системы, и корректирующую линзу 5. Последняя закреплена соосно на поверхности компенсатора 3 и имеет диаметр, меньший диаметра компенсатора 3 и линзы 1. Фокусные расстояния системы f /корректирующей линзы 5 fJop. и компенсатора 3 аберраций fK .a удовлетворяют соотношению

d

т t

f

О)

где d - расстояние от корректирующей линзы 5 до сетки 2.

Оптическая система может работать как в фокусирующем, так и в коллимирующем режиме. В первом случае лучи от предмета, расположенного в бесконечности, падают на положительную линзу 1, которая фокусирует их в плоскость изображения, совпадающую с плоскостью сетки 2. При этом лучи проходят компенсатор 3. который корреги- рует сферическую и хроматические аберрации всей системы, отражаются от зеркала 4, вновь проходят линзовый компенсатор 3, линзу 5 для коррекции фокусного расстояния и положительную линзу 1. В плоскости изображений, совпадающей с главной плоскостью оптической системы, располагается приемник, например, матрица ПЗС.

В коллимирующем режиме система работает в обратном ходе лучей, начиная от сетки 2, через компоненты 1, 5 и 3, зеркало 4, и снова компоненты 3 и 1.

При сборке и юстировке системы осуществляют точную подгонку фокусного рас- стояния, если фокусное расстояние изготовленного объектива отличается от номинала на величину, превышающую допустимую, а также для коррекции масштаба матриц ПЗС, шкал и т.п.

Технологическая погрешность изготовления линз вызывает погрешность фокусного расстояния от 0,5 до 1%. Допустимая погрешность фокусного расстояния в отдельных случаях не превышает 0,05 - 0,01 %, например, в дальномерах. Поэтому предусматривают регулировку фокусного расстояния с помощью подвижной коррекционной линзы 5 вместе с компенсатором 3.

В высокоточных измерительных оптических приборах поперечное смещение вызывает измерение направления лучей или положения изображения. Особенно сильное влияние поперечные смещения выэывают в короткофокусных системах. Допустимые смещения к поперечному смещению, обусловленные требованиями к точности и стабильности, составляют в отдельных случаях единицы и доли микрометров. Конструктивно и технологически такие малые смещения ограничить трудно или невозможно вследствие неизбежности зазоров, разности линейных расширений при изменении температуры. Поэтому прибегают к методам ослабления влияния поперечного смещения, например, путем приближения линзы к плоскости изображения.

В предлагаемой системе влияние поперечного смещения компонентов 1 и 2 устранено за счет их жесткого скрепления и совмещения с плоскостью изображения. Влияние поперечных смещений компонентов 5 и 3 устранено за счет действия двух

факторов: благодаря их жесткой связи, обуславливающей возможность лишь одновременного смещения, и благодаря соотношению (1), которое приводит к нулю результат одновременного смещения

компонентов 3 и 5. Последнее можно показать на основе использования понятия пространственно-передаточных функций и пространственно-передаточных коэффициентов.

Для обеспечения нечувствительности к поперечным смещениям компонентов 3 и 5 должно выполняться условие

50

UKOP + UK а 0 , (2)

где Укор - пространственно-передаточная функция корректирующей линзы 5;

Uic.a - то же, компенсатора 3 аббера- ций. В общем случае

U KZ,

где К - пространственно-передаточный коэффициент;

Z - координата оптического элемента.

Подставим значения в (2), получим

Ккор Zicop + Кк.а Zpc.a О, (3)

так как между линзой 5 для коррекции фокусного расстояния и компенсатором 3 существует жесткая связь, то Znop Zic.a.

В оптической системе для высокоточных контрольно-измерительных приборов

кор

1 -(--j2) flcop

1 - ( - ор d )

ft

Не,

: (4)

корткор

I

KK.a .-(-|i)

f

f x.a + f fla

-Г-.(5)

f

к.а

где обозначения величин ясны из фиг. 2.

Подставив (4) и (5) с учетом (1) в (3), убедимся в выполнении условия (2).

Таким образом, оптическая система для технологии контрольно-измерительных приборов инвариантна по отношению к поперечным смещениям всех ее компонентов, что и обуславливает повышенную функциональную надежность.

Под функциональной надежностью понимается обеспечение постоянства оптических характеристик системы во время эксплуатации, что достигается нерасстраи- ваемостью предлагаемой оптической системы. Для высокоточных измерительных приборов очень важно постоянство характеристик оптической системы: фокусное расстояние, положение изображения и т.д.

В качестве примера конкретной реализации можно привести следующую систему.

0

5

0

5

0

5

0

Фокусное расстояние 203,26 мм, относительное отверстие 1:3,3, угол поля зрения 2°, задний фокальный отрезок 0,92 мм, апертурная диафрагма на первой поверхности, диаметр ее 60 мм, система рассчитана для основной длины волны 0,9 мкм и ахро- матизована в диапазоне длин волн от 0,546 до 1,1 мкм.

Система работает в режиме фокусировки, приемник излучения - матрица ПЗС.

Формула изобретения Оптическая система для высокоточных контрольно-измерительных приборов, содержащая положительную линзу, сетку, установленную в главной плоскости положительной линзы, компенсатор аберраций, корректирующую линзу, диаметр которой меньше диаметра положительной линзы и компенсатора аберраций, и плоское зеркало, установленное на удалении от сетки, равном половине фокусного расстояния системы, отличающаяся тем, что, с целью повышения функциональной надежности путем обеспечения независимости положения изображения от поперечных смещений компонентов, компенсатор аберраций установлен за положительной линзой, а корректирующая линза соосно закреплена на поверхности компенсатора аберраций, при этом параметры компенсаторов удовлетворяют соотношению

кор d

(илт

где ficop - фокусное расстояние корректирующей линзы;

f/.n. - фокусное расстояние компенсатора аберраций;

г - фокусное расстояние всей системы;

d - расстояние от корректирующей линзы до сетки.

ни1 нн1

нн

Изобретение относится к оптическому приборостроению и м.б. использовано в дальномерах, коллиматорах. Цель изобретения - повышение функциональной надежности путем обеспечения независимости положения изображения от поперечных смещений компонентов. В главной плоско сти положительной линзы 1 установлена сетка 2, на поверхности компенсатора 3 аберраций закреплена корректирующая линза 5. Плоское зеркало 4 обращает ход лучей. При выполнении расчетного соотношения, связывающего фокусные расстояния системы, линзы 5 компенсатора 3, система становится нечувствительной по положению изображения к поперечным смещениям компонентов. 2 ил.

Фиг.2