книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

между пластинкой 3 и держателем линзы 5. Благодаря этому объектив 4 может изображать перекрестие во всех плоскостях пространства, начиная от плоскости, отстоящей вправо от пла­ стинки на расстоянии, равном четырем фокусным расстояниям объектива 4 (/' = 3 0 мм), до плоскости, расположенной на^+ оо. Мнимое изображение можно получить влево от пластинки 3, начиная от нее до — оо. Если фокусное расстояние линзы 5 по­ падает в интервал, начинающийся от пластинки и кончающийся вправо от нее на расстоянии, равном четырем фокусным расстоя­ ниям объектива 4, то можно передвинуть вдоль оси на неболь­ шое расстояние весь узел прибора, состоящий из источника

Рис. 74. Схема контроля децентрировки линз в проходящем свете с помощью зрительной трубы

света 1, конденсора 2 и пластинки 3. Таким образом, по этой схеме можно измерить децентрировку как положительных, так и отрицательных линз. Угловая цена деления сетки зрительной трубы в существующей конструкции прибора составляет для малого деления 0,7', или в радианах 0,0002, и для большого де­ ления 3,4', или в радианах 0,001.

При вращении контролируемой линзы изображение перекре­ стия начинает описывать круг, угловой размер которого можно оценить по сетке зрительной трубы. Децентрировку определяют

т— число малых делений сетки зрительной трубы, укла­ дывающихся в круге биения изображения.

Принципиально эта схема не отличается от предыдущей, однако конструктивно она оформлена иначе (рис. 75). Установка состоит из коллиматорного объектива 5, 6, в фокальной плоскости которого находится перекрестие 3, освещаемое источником 1 через светофильтр 2, призмы 4, контролируемой линзы 7 и длин­ нофокусного микроскопа 9—15. Перемещая объектив 9 микро-

150

скопа, совмещают предметную плоскость последнего с изображе­ нием перекрестия 3, образованного линзой 7. Параллельный пу­

куба 4, собирается сложным объективом 5— 6 в центре кривизны контролируемой поверхности. Отраженные от контролируемой поверхности лучи образуют изображение перекрестия 3 в плос­ кости сетки 7. Сетку 7 и изображение перекрестия 3 рассматривают в окуляр 8. Смещение изображения перекрестия 3 относительно перекрестия сетки 7, которое получают при вращении линзы

151

в упорном кольце, характеризует смещение центра кривизны верхней поверхности линзы относительно ее геометрической оси.

увеличения достигаются изменением воздушного промежутка между линзами в пределах от 2 до 56 мм. С помощью объективов 5 и 6 на данной установке можно контро­ лировать линзы с радиусом величиной от +230 до + оо и от — оо до—321 мм. Для промежуточных радиусов существует во­ семь сменных объективов, их устанавли­ вают вместо объектива 6 переменного увеличения. В приборе используют смен­ ные объективы следующих фокусных рас­ стояний: +40,7; +100,0; +116; +214;

—49,4; — 100; — 150; —257 мм.

Децентрировку центра кривизны верх­ ней поверхности в угловой мере опреде­ ляют по формуле

а — 0,1 Л -3438

2ßrx

где ß — линейное увеличение объективов 5 и 6;

А— величина смещения изображения центра верхней по­ верхности линзы, выраженная в малых делениях сетки

окуляра (цена деления равна 0,1 мм); гх — радиус верхней поверхности линзы.

В качестве держателя линз в этом приборе вместо обычного кольца применяют специальный держатель, состоящий из опор­ ного кольца и системы рычагов 2 на двух шарнирах (рис. 77). Такой держатель обеспечивает приведение геометрической оси

152

Этот микроскоп представляет собой универсальный автоколлимационный прибор (рис. 78), который с успехом может быть применен для контроля децентрировки линз.

С помощью источника 10, конденсора 9 и зеркала 8 освещается перекрестие, процарапанное в алюминиевом слое зеркала 4.

При склейке линз необходимо обеспечить центрировку одной склеиваемой линзы по отношению к другой, т. е. расположить центры кривизны всех поверхностей склеенных линз на прямой линии. Обычно склейку выполняют в проходящем свете на тех же приборах, с помощью которых осуществляют контроль центри­ ровки одиночных линз.

При склейке добиваются такого положения, при котором, вращая одновременно обе склеиваемые линзы, получают непод­ вижное изображение перекрестия коллиматора или биение в пре­ делах, установленных допусками. Центрировку склеенных пар проверяют на тех же приборах. При склейке линз в проходящем

153

свете следует предварительно обеспечить особо высокую центри­ ровку той линзы, которую помещают в упорном кольце. Верх­ нюю линзу Б (плохо центрированную) изготовляют несколько меньше диаметра, и поэтому для совмещения оптической оси с осью линзы А ее можно немного смещать (рис. 79). На рис. 79, а изображен хорошо центрированный блок.

двух линз А и Б, из которых нижняя (базовая) плохо центрирована. Из рисунка видно, что децентрировку (клиновидность), имеющуюся в нижней линзе, можно скомпенсировать (для какой-либо длины волны света) поперечным смещением верх­

154

приборы, позволяющие склеивать детали с помощью автоколли­ мации от поверхностей линз.

На рис. 80 представлена схема подобного специализированного прибора для контроля децентрировки склеиваемых линз массо­ вого производства. Принцип и конструкция его были разрабо­ таны А. И. Либером. Источник света 8 с помощью конденсора 7 освещает перекрестие, процарапанное на алюминиевом слое зеркала 6. Изображение этого перекрестия внутренним объекти­ вом 5 образуется в плоскости автоколлимационной точки С{ от наружной поверхности 1 кроновой линзы, а объективом 4 (с отвер­ стием) образуется в плоскости автоколлимационной точки Сі от склеиваемой поверхности 2. Лучи, отраженные от поверхности 2 и /, соответствующими объективами собираются вблизи перекре­ стия на зеркале 6, создавая там автоколлимационные изображе­ ния перекрестия. Рассматривая эти изображения в микроскоп, можно судить о взаимном расположении автоколлимационных точек склеиваемого блока; при склейке нет необходимости вра­ щать склеиваемый блок, достаточно смещением верхней линзы по нижней совместить автоколлимационные изображения от по­ верхности 2 и 1. Оптическая система прибора рассчитана так, чтобы блики можно было совмещать не только в центре, но и в любой точке поля зрения микро­ скопа. Склеиваемые линзы базируют на поверхности 3. Изображение пере­ крестия рассматривают в микроскоп 9.

4. Измерение преломляющих углов клиньев и углов отклонения

Оптический клин представляет собой оптическую деталь (рис. 81), образо­ ванную двумя плоскими поверхностя­ ми, образующими между собой малый угол а (до 2—3°). Этот угол назы­ вается преломляющим углом клина. Любой луч, падающий на клин, после

прохождения через него отклоняется к основанию клина. Угол со между падающим и отклоненным лучами называется углом отклонения клина. Углы а и со являются основными параметрами клина.

При малых углах падения і угол со можно вычислить по при­ ближенной формуле

где п — показатель преломления материала клина; г' — угол преломления.

155

Эту формулу можно представить в более простом виде [761:

в квадратных скобках будет равно 0,0023, поэтому в большинстве случаев им можно пренебречь. С учетом этого получим

Последняя формула наиболее часто применяется на практике.

1. Гониометрические методы

Гониометр наиболее удобен для определения преломляющих углов и углов отклонения клина. Методика измерения преломляю­ щих углов клиньев на гониометре совершенно аналогична изме­ рению углов призм. Если показатель преломления клина точно известен, то преломляющий угол клина а можно определить по

Для повышения точности измерений используют второй спо­ соб: последовательно совмещают центр перекрестия окуляра с центрами бликов путем поворота зрительной трубы и снимают отсчеты по лимбу с помощью отсчетного микроскопа. Разность отсчетов составит угол ф = ап, вдвое меньший, чем в первом случае, так как при втором положении зрительной трубы лучи нормально отражаются от второй грани клина. Зная угол ф и показатель преломления п, легко вычислить угол о.

Рассмотрим точность второго способа, для которого Легко показать, что

Да _ Дф г Д« а — ф п '

156

Пусть номинальные значения о = 10', я = 1,5, а измерения угла ер произведены на гониометре с точностью ±5". Полагая Ая = 0,005, получим Ао = ±5,3".

Угол отклонения клина можно измерить на гониометре, ис­ пользуя коллиматор и зрительную трубу (рис. 83). Сначала центр перекрестия окуляра 4 зрительной трубы совмещают с изобра­ жением щели, установленной вертикально в фокальной плоскости объектива 1 коллиматора, и снимают первый отсчет по лимбу

Рис. 83. Схема измерения угла отклонения клина с помощью коллиматора и зрительной трубы

гониометра. Затем между коллиматором и объективом 3 зритель­ ной трубы устанавливают клин 2, ребро которого параллельно щели. Вновь совмещая изображение щели с центром перекрестия окуляра зрительной трубы путем ее поворота, снимают второй отсчет. Разность двух отсчетов и есть угол отклонения клина to. В данном случае точность измерения угла со зависит только от точности гониометра, так как другие параметры клина не исполь­ зуются в измерениях.

Важно заметить, что установка клина по отношению к парал­ лельному пучку лучей, выходящих из коллиматора, не требует высокой точности, так как влияние угла падения і на величину

в сущности мало отличается от измерения угла со на гониометре. Разница заключается только в том, что смещение у изображения

157

Фокусное расстояние /' может быть измерено с точностью 0,1—0,2%; при измерениях с помощью окуляр-микрометра Ау —

Измерение малых углов отклонения клиньев с высокой точ­ ностью можно выполнить с помощью автоколлимационной зри­ тельной трубы и двух зеркал, расположенных строго параллельно друг другу [53]. Между зеркалами устанавливают измеряемый клин. Одно из зеркал, расположенных вблизи объектива зритель­ ной трубы, имеет полупрозрачное покрытие. В фокальной плос­ кости окуляра наблюдают несколько изображений щели, полу­ ченных в результате многократного прохождения лучей через клин. Измеряя расстояния между этими изображениями, можно измерить угол отклонения с точностью ± 0,2" при фокусном рас­ стоянии объектива 550 мм.

3. Интерференционный метод

Для измерения углов точных стеклянных клиньев интерфе­ ренционным методом можно использовать измерительный микро­ скоп типа УИМ-21 с осветительным устройством (см. рис. 70). Клин устанавливают на каретке микроскопа вместо деталей 5 и 6. Перед измерениями необходимо ориентировать ребро клина перпендикулярно направлению движения каретки. Интерферен­ ционные полосы, параллельные ребру клина, возникают в ре­ зультате интерференции лучей, отраженных от рабочих поверх­ ностей клина. Поэтому для определения ширины b интерферен­ ционной полосы можно использовать формулу

где А — длина волны света; п — показатель преломления стекла клина;

а — преломляющий угол клина.

Таким образом, для определения угла о необходимо знать три параметра, два из которых (А, и п) известны, как правило, с вы­ сокой точностью. Ширину полосы b необходимо измерить. Для этого перекрестие микроскопа совмещают с серединой светлой или темной полосы, выбранной произвольно. Перемещая каретку с клином, производят аналогичное совмещение с другой полосой, при этом считают число полос т и измеряют длину участка /, на котором они располагаются. Угол клина определяют по фор­ муле

Основная погрешность измерений возникает при наведении перекрестия на середину интерференционной полосы. Так как

158

это наведение выполняют дважды, то в худшем случае Ат = 0,2. Остальные величины, входящие в формулу (47), известны с высо­ кой точностью, поэтому относительную погрешность измерений можно вычислить по формуле

Да Ат 0,2

ат т

Если, например, т = 10, то Ао = 0,02а, что при малых уг­ лах а (порядка нескольких секунд) обеспечивает очень высокую точность измерений. Однако на практике плоские поверхности клиньев имеют некоторую сферичность, а стекло имеет оптиче­ скую неоднородность. Это приводит к искривлению интерферен­ ционных полос и соответственно к снижению точности. Поэтому в наиболее ответственных случаях измеряют не преломляющий угол клина а, а угол отклонения со = (п — 1) а. Эти измерения можно выполнить на интерферометре Тваймана—Грина, уста­ навливая в одной из ветвей интерферометра исследуемый клин. Так как лучи света дважды проходят через клин, то его отклоня­ ющее действие удваивается, что позволяет определить с высокой точностью угол отклонения и положение ребра клина. Однако на практике необходимость такого рода измерений встречается редко и поэтому более подробно здесь не рассматривается.

5.Измерение преломляющих углов

иуглов отклонения призм

Для измерения и контроля углов призм применяют различные приборы: угловые металлические плитки, механические и опти­ ческие угломеры, гониометры, интерферометры и др. Эти приборы используют как в процессе изготовления призм, так и для окон­ чательного контроля и обладают различной точностью. В опти­ ческих измерительных лабораториях, как правило, выполняют окончательный контроль или измерение углов призм на гонио­ метрах, а для весьма точных измерений — на интерферометрах типа Тваймана-Грина. Последние используются главным образом для контроля отражающих и спектральных призм.

Каждую отражающую призму обозначают двумя буквами и числом. Первая буква указывает число отражающих граней,

Условные обозначения проставляют на рабочих чертежах вместе с названием призмы, например, Призма Довэ АР— 0°.

159