5. Принцип необходимости юстировки оптических систем

При конструировании оптических функциональных устройств следует производить проверку необходимости их юстировки и предусматривать в конструкции возможность ее выполнения.

Данное правило вызвано спецификой оптических ФУ, заключающейся в том, что обычно подавляющее большинство из них не может непосредственно после сборки обеспечить необходимые показатели качества (связанные с изображением). Требуется проведение дополнительных мероприятий по устранению и компенсации тех или иных погрешностей путем подвижек, регулировок, деформаций, дополнительной обработки деталей, воздействия на их свойства или результат функционирования и т.п. для получения устройства, функционирующего с заданными характеристиками — т.е. требуется то, что принято называть юстировкой.

Обусловлено данное обстоятельство тем, что даже незначительные отклонения характеристик материалов оптических деталей от их номинального значения (в третьем, четвертом и даже пятом знаках после запятой), погрешности изготовления их размеров, формы, расположения приводят к порче качества изображения, создаваемого оптической системой, неправильной его ориентации и другим дефектам.

Рассмотрим элементарный пример, аналогичный приведенному в работе [15].

Рис.56 Телескопическая трубка

На рис. 56 изображена конструкция телескопической трубки, в которой склеенный объектив строит изображение на сетке (ПЗС приемнике). Из-за погрешности заднего вершинного фокального отрезка (ΔS’_F) объектива 1, погрешности расстояния(Δl) между опорными торцами трубки 2, изображение, строящееся объективом в фокальной плоскости, будет располагаться на расстоянии ΔZот плоскости; сетки (чувствительной площадки приемника) 3.

В лучшем случае допуск на ΔZ не должен превышать дифракционной глубины резкости объективаТд:

где λ — рабочая длина волны излучения;А' — задняя апертура объектива. Для светосильных объективов этот допуск равен обычно нескольким микро­нам, для несветосильных — нескольким десяткам микрон. Например, для объектива с фокусным расстояниемf'=100 мм и световым диаметром 20 мм при λ=0,55 мкм получаем

Выполнить такой допуск не представляется возможным, так как даже если будет точно выдержан отрезок l, то обеспечить погрешность вершинного фокусного расстояния с такой точностью практически нельзя. Известно, что в серийном производстве погрешность фокусных расстояний объективов дости­гает 0,5-1%f'. В нашем случае Δf' ≈ΔS’_F≈ (0.5-1)% ·100 мм = (0.5-1) мм , т.е. в 20-40 раз может превышать допустимое значение. Следовательно, в конст­рукции телескопической трубки необходимо предусмотреть возможность юс­тировки расстояния между объективом и сеткой (приемником) для совмеще­ния плоскости изображения с плоскостью сетки (с помощью ступенчатых компенсаторов, регулировочных устройств и т.п. [11]).

Рис.57 Схема к расчету параллельности осей бинокля

Рассмотрим возможность обеспечения параллельности между собой осей пучков лучей, выходящих из окуляров бинокля (рис. 57, а). Непараллельность осей возникает, в частности, из-за неравенства увеличений (Г₁≠Г₂) в трубках бинокля и непараллельности геометрических осей трубок (Δδ).

Из-за неравенства увеличений: непараллельность осей (Δα)

Δα = α₁ – α₂= w (Г₁-Г₂) = ω·ΔГ

Допуск на непараллельность пучков лучей (исходя из физиологии зритель­ного аппарата человека) не должен превышать в вертикальной плоскости 15' (в горизонтальной плоскости он шире и достигает 40' при конвергенции осей и 20' при их дивергенции).

Определим допуск на относительную разность увеличений в трубках:

где ω,ωок — половина угла поля зрения объектива и окуляра, соответст­венно (в нашем примереωок =25°). Увеличение в трубках, как известно) равно отношению фокусных расстояний объективов и окуляров:

Учитывая, что погрешность фокусного расстояния объектива в серийном производстве достигает 1%, а окуляра 2-8%, максимальное вероятное значение разности увеличений трубок может достичь значений

Компенсировать эту погрешность можно юстировкой фокусного расстояния одного из окуляров либо, что более рационально, учитывая крупносерийность производства биноклей, селекцией объективов и окуляров по фокусным расстояниям, комплектуя их таким образом, чтобы разность увеличений в трубках не превышала допустимого значения.

Для этого поля рассеяния фокусных расстояний объективов и окуляров относительно их номинальных значений f’ОБ.НОМ ,f’ОК.НОМ разбивают на несколько диапазонов (групп), а затем, измеряя фактическое значение их фокусных расстояний, осуществляют комплектовку по группам (рис. 57, б). Число комплектовочных групп будет зависеть от величины поля рассеяния, определяемого максимальнымиf’ОБ.MAX ,f’ОК.MAX и минимальнымиf’ОБ.MIN ,f’ОК.MIN значениями погрешностей фокусных расстояний.

Непараллельность геометрических осей трубок (Δδ) приводит к непараллельности осей пучков лучей на величину Δα = ^Δδ/(Г-1). Для бинокля, имеющего увеличение, например, 6^х(крат), получаем допуск на Δδ, равный

Δδ = 15'/5^х= 3'

Такой допуск, учитывая, что он будет обусловлен погрешностями расточек отверстий под объективы и окуляры, зазорами в посадках, децентрировками самих объективов и окуляров и другими факторами, выдержать весьма слож­но. Если же трубки бинокля имеют шарнир для раздвижки окуляров по базе глаз наблюдателя (ось шарнира, в свою очередь, должна быть параллельна оси поворотной трубки), то обеспечить допуск практически невозможно, и следует предусмотреть юстировку параллельности геометрических осей трубок и шар­нира [11].

Следует подчеркнуть то обстоятельство, что юстировка является весьма трудоемким процессом, выполняется высококвалифицированными рабочими, требует использования специальной оснастки, инструмента, прецезионных средств контроля. Поэтому к юстировке следует прибегать только в случаях, когда она действительно необходима для достижения требуемых показателей качества, либо доказана ее экономическая целесообразность.

Методика определения необходимого числа юстируемых параметров (компенсаторов), диапазона и чувствительности юстировки, а также способы и устройства юстировки типовых узлов изложены в литературе [11].