Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ СОВМЕЩЕНИЯ МАРКИ С ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЬЮ ОБЪЕКТИВА КОЛЛИМАТОРА

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, более конкретно к устройствам контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива, преимущественно крупногабаритных коллиматоров.

Для контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматоров чаще всего используют аттестованную на "бесконечность" зрительную трубу с механизмом перемещения сетки, включающим отсчетное устройство [1]. Наблюдая в окуляр зрительной трубы и перемещая ее сетку с помощью механизма перемещения сетки, добиваются резкого изображения марки коллиматора. О несовпадении марки коллиматора с фокальной плоскостью его объектива судят по величине перемещения сетки относительно положения "Бесконечность", фиксируемой с помощью отсчетного устройства. Фокусное расстояние объектива зрительной трубы должно быть больше фокусного расстояния объектива контролируемого коллиматора. Использование такой трубы достаточно эффективно, когда фокусное расстояние объектива коллиматора относительно невелико и не возникает существенных проблем его доставки к месту расположения зрительной трубы. В противном случае необходимо перемещение крупногабаритных оптических приборов (коллиматора или зрительной трубы) по территории предприятия, что является существенным недостатком данного устройства.

Если фокусное расстояние объектива коллиматора значительно (1 м и более), для контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматоров иногда используют автоколлимационное устройство, устанавливаемое в непосредственной близости от сетки с маркой или вместо нее, и аттестованное плоское зеркало, размещаемое перед объективом коллиматора [2]. Однако, использование указанных устройств на практике имеет ограниченное применение вследствие необходимости частичной разборки коллиматора, повышенной трудоемкости подготовительных работ и сложности количественных измерений при отсутствии механизма перемещения марки коллиматора с отсчетным устройством.

Из всех известных технических решений наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, включающее анализатор параллельности лучей коллимированного светового пучка в виде узла с подвижной пентапризмой и оптически сопряженную с ним зрительную трубу, установленную по ходу лучей света коллиматора, прошедших пентапризму [3]. Величину несовпадения марки коллиматора с фокальной плоскостью объектива коллиматора определяют по измеренной величине смещения изображения марки в поле зрения зрительной трубы при перемещении пентапризмы в направлении, перпендикулярном направлению коллимированного светового пучка.

Данное устройство не позволяет добиться высокой точности измерений вследствие необходимости перемещения пентапризмы и снятия отсчетов в различных ее положениях для оценки контролируемой величины, в результате чего возрастает случайная составляющая погрешности измерений и появляются дополнительные составляющие погрешности измерений, связанные с возможностью расстраивания измерительной схемы в процессе проведения измерений. Данное устройство отличается сложностью процесса измерений, так как необходима достаточно длительная настройка относительного положения контролируемого коллиматора, узла с перемещаемой пентапризмой и длиннофокусной зрительной трубы и необходимостью снятия отсчета в различных положениях пентапризмы, причем необходимо обеспечение жесткой связи всех указанных элементов, что не всегда легко осуществимо в цеховых условиях.

Задачей изобретения является повышение точности измерений, упрощение процесса измерений и расширение эксплуатационных возможностей.

Для решения поставленной задачи в устройстве для контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматора, содержащем оптически сопряженные анализатор параллельности лучей светового пучка и зрительную трубу, в отличие от прототипа анализатор параллельности лучей светового пучка выполнен в виде оптического блока, включающего два параллельных канала, на оси первого канала расположены последовательно первая диафрагма, отклоняющее устройство с измерительным механизмом, компенсатор ошибок направления световых пучков и светоделительная пластина, составляющая угол 45^o с осью первого канала, на оси второго канала расположены последовательно вторая диафрагма, разделительное устройство и плоское зеркало, параллельное светоделительной пластине и жестко связанное с ней, причем расстояние между центрами первой и второй диафрагм равно расстоянию между плоским зеркалом и светоделительной пластиной вдоль оси второго канала, разделительное устройство выполнено в виде двух клиновидных пластин, главные сечения которых параллельны плоскости, содержащей оси двух каналов, вершины клиновидных пластин диаметрально противоположны, а граница их раздела расположена на оси второго канала.

Выполнение анализатора параллельности световых лучей в виде оптического блока, имеющего два параллельных канала, обеспечивает возможность оценки контролируемой величины без изменения положения элементов измерительной схемы при однократном измерении. Это позволяет повысить точность измерений за счет исключения случайной составляющей погрешности измерений, связанной с необходимостью нескольких наводок, и упростить процесс измерений. Выполнение разделительного устройства в виде двух клиньев позволило реализовать условия для наиболее точной оценки контролируемой величины по угловому рассогласованию штриха и биссектора, формируемых каналами оптического блока, что также позволяет повысить точность измерений. Использование в оптическом блоке компенсатора ошибок направления световых пучков позволяет исключить влияние на результаты измерений погрешностей изготовления оптических элементов. Использование в анализаторе параллельности световых лучей нерастраивающихся элементов (плоскопараллельных пластин, клиньев) и обеспечение жесткой связи между светоделительной пластиной и плоским зеркалом обеспечивают нерасстраиваемость измерительной схемы устройства, что также приводит к повышению точности измерений за счет исключения влияния вибраций, температурных воздействий и позволяет использовать устройство не только в лабораторных, но и в цеховых условиях, что расширяет эксплуатационные возможности устройства.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 показан вид поля зрения зрительной трубы в момент контроля при отсутствии ошибки совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматора, а на фиг. 3 - вид поля зрения зрительной трубы при наличии ошибки совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматора.

Устройство для контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматора включает (фиг. 1) оптически сопряженные анализатор параллельности светового пучка 1 и зрительную трубу 2. Анализатор параллельности светового пучка 1 выполнен в виде оптического блока, который включает первую диафрагму 3 и вторую диафрагму 4, установленные в двух его параллельных каналах. За первой диафрагмой 3 на оси первого канала расположены последовательно отклоняющее устройство 5 с измерительным механизмом, компенсатор ошибок направления световых пучков 6 и светоделительная пластина 7, составляющая угол 45^o с осью первого канала. За второй диафрагмой 4 на оси второго канала последовательно установлены разделительное устройство 8 и плоское зеркало 9, параллельное светоделительной пластине 7. Разделительное устройство 8 состоит из двух клиновидных пластин, главные сечения которых параллельны плоскости, содержащей оси первого и второго каналов оптического блока, вершины клиновидных пластин диаметрально противоположны, а граница их раздела расположена на оси второго канала. Светоделительная пластина 7 и зеркало 9 жестко связаны друг с другом, например, путем приклеивания к дополнительной пластине 10. Расстояние В между центрами диафрагм 3 и 4 равно расстоянию между зеркалом 9 и пластиной 7 вдоль оси второго канала, что обеспечивает совпадение главных лучей световых пучков, входящих в диафрагмы 3 и 4, после прохождения или отражения от светоделительной пластины 7. Отклоняющее устройство 5 с измерительным механизмом выполнено в виде клиновидной пластины с нанесенной на ее оправе шкалой. Клиновидная пластина отклоняющего устройства 5 установлена с возможностью вращения и возможностью оценки угла поворота по шкале относительно неподвижного индекса, нанесенного на корпусе оптического блока. Компенсатор ошибок направления световых пучков 6 выполнен в виде двух клиновидных пластин, установленных с возможностью вращения вокруг оси первого канала оптического блока. Зрительная труба 2 включает объектив 11, плоское зеркало 12 (для удобства компоновки), сетку 13 и окуляр 14. Сетка 13, необязательный элемент схемы, используется лишь для ориентировочного определения центра поля зрения зрительной трубы. Анализатор параллельности светового пучка 1 установлен в световом пучке, выходящем из контролируемого коллиматора 15, а зрительная труба 2 установлена по ходу лучей света коллиматора, прошедших анализатор параллельности светового пучка, то есть все указанные элементы схемы оптически сопряжены друг с другом.

Устройство работает следующим образом.

Лучи света, выходящие из контролируемого коллиматора 15, входят в диафрагмы 3 и 4 по направлению стрелок A₁ и A₂ соответственно. Пройдя диафрагму 3, лучи света проходят отклоняющее устройство 5, компенсатор ошибок направления световых пучков 6, светоделительную пластину 7 и входят в объектив 11 зрительной трубы 2. В плоскости сетки 13 формируется изображение марки коллиматора I₁ (фиг. 2), которое рассматривается наблюдателем через окуляр 14. Лучи света, входящие в диафрагму 4, проходят разделительное устройство 8. На выходе разделительного устройства 8 образуются два световых пучка, угол α между которыми равен α ≈ (2(n-1)θ, где n и θ - показатель преломления и величина угла клина клиновидных пластин разделительного устройства 8. Эти световые пучки отражаются от плоского зеркала 9, затем от светоделительной пластины 7 и также входят в объектив 11 зрительной трубы 2. В плоскости ее сетки образуются еще два изображения марки коллиматора I'₂ и I''₂ (фиг. 2). Если пучки лучей, входящие в диафрагмы 3 и 4 (по стрелкам A₁ и A₂), строго параллельны, а отклоняющее устройство 5 установлено в исходное положение, при котором отсчет по его шкале равен нулю, то разворотом клиньев компенсатора 6 можно добиться симметричного расположения изображений I'₂ и I''₂ относительно изображения I₁, как показано на фиг. 2. Настроенное таким образом устройство может быть использовано для контроля точности несовпадения марки с фокальной плоскостью объективов реальных коллиматоров.

Практически настройка устройства на "бесконечность" может быть выполнена путем наблюдения одиночной звезды.

При контроле реальных коллиматоров в общем случае наблюдается несимметричное расположение изображений I'₂ и I''₂ относительно изображения I₁ (фиг. 3), что свидетельствует о наличии ошибки совмещения марки с фокальной плоскостью объектива коллиматора. Чтобы устранить эту ошибку, следует, перемещая марку коллиматора вдоль оси его объектива, добиться симметричного расположения наблюдаемых изображений, как показано на фиг. 2. При необходимости измерения этой ошибки следует добиться того же результата путем разворота клиновидной пластины отклоняющего устройства 5 и зафиксировать отсчет по шкале измерительного механизма. Если шкала проградуирована в углах β отклонения лучей света отклоняющим устройством, то величину Δ ошибки совмещения марки коллиматора с фокальной плоскостью объектива коллиматора можно определить по формуле:
Δ ≈ (f²/B)β,
где f' - фокусное расстояние объектива контролируемого коллиматора, а В - расстояние между центрами диафрагм 3 и 4.

Заявляемое устройство достаточно компактно. Оно не требует значительных затрат времени на подготовку и проведение измерений, так как подготовка к измерениям заключается лишь в установке его в коллимированном световом пучке, а процесс контроля - лишь в наблюдении в окуляр зрительной трубы. Кроме того, устройство может быть использовано как в лабораторных, так и в цеховых условиях, так как оно имеет нерасстраивающуюся измерительную схему, состоящую только из элементов, малые подвижки и повороты которых не вызывают отклонения лучей света от их исходного направления. Применение заявляемого устройства позволяет повысить точность контроля благодаря нерасстраиваемости измерительной схемы, возможности оценки контролируемой величины при единичном измерении, не требующем изменения положения элементов схемы, а также реализации в анализаторе параллельности светового пучка условий для наиболее точной оценки контролируемой величины по угловому рассогласованию штриха и биссектора.

Экспериментальные исследования опытного образца показали, что его настройка по реальному объекту - звезде обеспечивает имитацию дистанции сравнения около 160 км. При фокусном расстоянии объектива коллиматора 1600 мм это обеспечивает систематическую составляющую погрешности измерений не более 0,01 мм. Случайная составляющая погрешности измерений не превышает 0,03 мм. Габаритные размеры устройства (включая зрительную трубу) не превышают (220 x 185 x 65) мм.

Таким образом, заявляемое устройство может быть использовано на предприятиях как универсальное высокоточное переносное средство оперативного контроля точности совмещения марки с фокальной плоскостью объектива преимущественно крупногабаритных коллиматоров как в лабораторных, так и в цеховых условиях.

Источники информации:
1. Бардин А.Н. Сборка и юстировка оптических приборов. - М.: Высшая школа, 1968. -с. 49.

2. Бардин А.Н. Сборка и юстировка оптических приборов. - М.: Высшая школа, 1968. - с. 50.

3. Бардин А.Н. Сборка и юстировка оптических приборов. - М.: Высшая школа, 1968. - с. 54 (прототип).