Сборка, юстировка, контроль объективов телескопических систем (линзовых, зеркальных)

«Сборка, юстировка, контроль объективов телескопических систем (линзовых, зеркальных)»

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Элементы «практической  оптики» — зажигательное действие линз и зеркал — были известны еще в глубокой древности. До нашего времени сохранилось немало бесспорных свидетельств древних авторов о зажигательном действии стекол и зеркал. Основные оптические явления — прямолинейное распространение света, независимость световых пучков, отражение от зеркальной поверхности и преломление света на границе двух прозрачных сред — были установлены опытным путем Евклидом и Аристотелем.

Оптики античности, хотя и проявляли живой интерес  к природе и свойствам света, но оптических приборов как таковых  не создали. Это было связано прежде всего с незнанием строения и функций глаза, да и вообще механизма зрения. Возможность получения действительных изображений при помощи оптических систем им также оставалась неизвестной. Картина развития оптики резко изменилась в средние века, когда ученым (Альхазену и др.) удалось установить, что зрение вызывается внешними лучами, приходящими в глаз от предметов.

Появление и развитие телескопических систем в XVII в. вызвало  подлинную революцию как в  оптике, так и в астрономии. Собственно именно благодаря широкому практическому использованию телескопических систем родилась техническая оптика как наука, а в астрономии появились новые приборы (телескопы, гелиоскопы и др.), дающие возможность, с одной стороны, более глубоко изучать Вселенную, а с другой,— способствующие дальнейшему прогрессу в развитии технической оптики.

 

 

 

 

1. Понятие телескопической системы

 

Телескопическая система – оптическая система, с помощью которой можно рассматривать увеличенное изображение удаленного объекта. К числу таких приборов относятся бинокли, зрительные трубы, телескопы, перископы, дальномеры и геодезические приборы (теодолиты, нивелиры и другие).

Схема телескопической системы  состоит из двух компонентов: объектива  и окуляра. Располагают их таким образом, чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фокусом окуляра. Объектив создает действительное перевернутое изображение предмета в своей задней фокальной плоскости, а окуляр позволяет рассматривать это изображение глазом (рис. 1).

Для компенсации дефектов глаза (близорукость, дальнозоркость) в зрительных трубах обычно предусматривается возможность фокусировки (продольного перемещения) окуляра.

 

 
Рис. 1. Телескопическая система

 

Поскольку рассматриваемые предметы находятся бесконечно далеко, входные пучки считаются параллельными. От осевых предметных точек приходят пучки параллельные оптической оси, от внеосевых предметных точек приходят пучки, наклоненные к оси под углом  (рис. 1). Из телескопической системы пучки будут выходить под углом .

Фокусы телескопической  системы расположены в бесконечности, фокусные расстояния равны бесконечности.

 

2. Объективы телескопических систем

 

Оптическая система в зависимости от решаемой задачи может обстоять из различных оптических элементов, которые можно классифицировать следующим образом:

1. объективы;
2. окуляры;
3. коллективы;
4. оборачивающие системы;
5. отклоняющие системы.

Объективы оптический приборов выполняют функцию преобразования информации, которую несет лучистый поток, идущий от объекта. Объектив может быть частью оптической системы или самостоятельной оптической системой, например, фотографические, киносъемочные, проекционные, телевизионных камер и др.

В зависимости от назначения объективы имеют различную конструкцию, но они обязательно включают в  себя силовые оптические элементы, которые способны преобразовывать  форму светового пучка, несущего информацию об объекте.

Общим для всех объективов являются их основные характеристики, к которым относятся:

• фокусное расстояние f';
• относительное отверстие D/f' или диафрагменное числе К;
• поле зрения 2ω' (2y');
• разрешающая способность и качество изображения.

По конструкции их можно разделить на линзовые (диоптрические), зеркально - линзовые (катодиоптрические) и зеркальные (катоптрические) (рис. 2).

Рис. 2. Конструкции объективов

 

В зависимости от величины поля зрения, относительного отверстия  и качества изображения объективы  имеют различную сложность.

Но назначению объективы  можно подразделить на:

• объективы телескопических систем,
• объективы микроскопов,
• фотообъективы (кинообъективы),
• проекционные объективы.

Объективы телескопических  систем имеют малое поле зрения (до 15⁰), относительное отверстие (1:12 до 1:40), фокусное расстояние от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.

Линзовые объективы состоят из 2 или 4 линз. Наиболее распространены двухлинзовые. Линзы у объективов диаметром до 100 мм, как правило, склеивают, при больших диаметрах устанавливают в оправы с воздушным промежутком, т. к. при склейке могут появляться напряжения, которые снижают качество изображения.

Не склеенные объективы имеют  лучшее качество изображения при  тех же характеристиках, однако они требуют более сложную оправу, которая обеспечит центрировку компонентов.

Линзовые объективы телескопических  систем имеют предел по своей величине, т.к. возникают технологические трудности при получении большой массы стекла с хорошими оптическими характеристиками.

Самым большим линзовым объективом является объектив телескопа, установленного в Иеркской обсерватории (США). Он имеет диаметр 1,02 м и фокусное расстояние f ' = 18,9 м.

Зеркальные объективы имеют  ряд преимуществ перед линзовыми, т.к. при этом значительно уменьшается  длина трубы и полностью отсутствуют  хроматические аберрации. Недостатком  является неполное использование светового отверстия, трудности в устранении сферической аберрации, что вынуждает применять асферические поверхности.

Впервые зеркальные объективы появились  в 1616 году. Дальнейшее развитие они  получили в 19 и начале 20 веков. Преимущественно  эти системы были катодиоптрическими.

Из зеркальных объективов наибольшее распространение получил объектив Кассегрена. Он состоит из двух зеркал: большого - параболического и малого выпуклого - гиперболического. По этой схеме построены все большие  телескопы.

Из катодиоптрических систем наибольшее распространение получил объектив Шмидта, который состоит из сферического зеркала и коррекционной асферической пластинки, установленной в центре кривизны зеркала.

Рис.3. Объектив Шмидта

 

Длина такой системы  равна двум фокусным расстояниям  зеркала, что является недостатком. Применение пластинки Шмидта с системой Кассегрена устраняет этот недостаток и дает возможность сделать поверхности обоих зеркал сферической формы.

В 1941 году профессор Максутов Д. Д. предложил вместо пластинки Шмидта устанавливать ахроматическим мениск со сферическими поверхностями (рис.4).

Рис. 4

Кроме указанных систем, применяют коррекционные линзы  в узкой части пучка, зеркала  при этом имеют сферическую поверхность (рис.5).

В фокусе объектива устанавливают  фотопластинку, телевизионную передающую трубку и другие приемники.

 

Рис. 5.

Значительное уменьшение длины объектива позволяет получить система телеобъектива. Это достигается вынесением задней главной плоскости вперед (рис.6).

Рис. 6.

Такие системы применяются  в зрительных трубах и фотообъективах. Дополнительной характеристикой системы будет коэффициент телеобъектива - К_Т, К_Т = 0,6 ч 0,9.

 

3. Сборка объективов  телескопических систем

 

Сборочный технологический  процесс может быть построен по принципу концентрированных и дифференцированных операций.

По принципу дифференцированных операций процесс сборки и юстировки  делится на мелкие операции, проводимые с простыми узлами. Способ не требует  высококвалифицированной рабочей  силы, но может быть реализован при  высоком уровне технологии и сборки и технологической оснастки. Позволяет вести сборку узлов параллельно на нескольких рабочих местах, благодаря чему является высокопроизводительным. Применяется в массовом и крупносерийном производстве, но может быть использован в серийном и мелкосерийном производстве с меньшей степенью дифференциации.

При дифференцированном способе каждый узел юстируется с  отклонениями, не превышающими установленные  пределы, и поэтому качество юстировки  прибора здесь может быть достигнуто более высокое, т.к. компенсация ошибок при этом не применяется. Вместо этого здесь используются специальные компенсаторы и замыкающие звенья, устраняющие накопленные погрешности.

Принцип концентрированных  операций отличается тем, что сборка и юстировка ведется укрупнено  над крупными узлами или даже прибором в целом одним или несколькими рабочими.

Концентрированные операции применяются при сборке единичных  приборов, опытных образцов. Требует  более высококвалифицированную  рабочую силу. При методе концентрированных  операций широко используется взаимная компенсация погрешностей, вследствие которой иногда в приборе появляются скрытые дефекты, как например, косой ход главных лучей, вызывающий виньетирование и понижение качества изображения. Поэтому метод концентрированных операций нуждается в проведении промежуточного контроля операций.

 

4. Юстировка  объективов телескопических систем

 

Юстировкой (от нем. justieren — выверять) называется процесс, выполняемый во время или после сборки приборов и узлов, для достижения в них необходимых технических характеристик (показателей качества) путем устранения или компенсации погрешностей.

На практике и в отечественной литературе термин "юстировка" обычно применяют к оптическим приборам и узлам; термин "регулировка" - к механизмам и электромеханическим устройствам; термин "настройка" - к электронным приборам и устройствам. В немецкоязычной литературе термин "юстировка" применяется ко всем видам приборов, устройств и прецизионных машин.

Юстировка обычно входит в плановое обслуживание приборов. Затем, при необходимости, производится поверка. Процесс юстировки в общем случае заключается в следующем:

1) выявлении погрешностей  прибора или его элементов,  превосходящих допустимые значения.

2) выработке коррекционного юстировочного  сигнала на исполнительное устройство, осуществляющее коррекцию.

3) воздействии юстировочным устройством  на определенные cтруктурные элементы  прибора (функциональные устройства, узлы детали) или специально вводимые  в конструкцию компенсаторы с  целью устранения недопустимых  отклонений характеристик устройства от требуемых значений (исполнение коррекции).

4) фиксация юстируемых элементов  для надежного закрепления их  положения, состояния, свойств,  измененных в результате юстировки.

5) измерении требуемых технических  характеристик (контроль результатов юстировки) прибора или узла

Необходимость юстировки объективов обуславливается тем, что ошибки при проектировании их и погрешности их изготовления (отклонения характеристик материалов, погрешности размеров, форм, положения деталей), обычно не позволяют получить непосредственно после сборки необходимых показателей качества (в первую очередь, качества изображения и точности). Требуется проведение дополнительных мероприятий по устранению или компенсации тех или иных погрешностей путем подвижек деталей, деформаций, дополнительной обработки, воздействия на их свойства или результат функционирования и т.д. для обеспечения заданных характеристик объектива.

При эксплуатации объективов иногда также возникает необходимость их юстировки в результате действия эксплуатационных погрешностей и факторов (износ и старение элементов, изменение их положений и характеристик из-за влияния сил, вибраций, ударов, перепада температуры и т.п.).