Сборка объективов насыпной конструкции. Расчет автоколлимационных точек

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ   ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

На тему:

«Сборка объективов насыпной конструкции. Расчет автоколлимационных точек»

МИНСК, 2008

Типы конструкций объективов оптических приборов. Общие требования к сборнке объективов.

Разнообразные оптические приборы имеют са­мые различные конструкции объективов: от двух-, трех- линзовых объективов телескопических приборов до слож­ных многолинзовых фотообъективов с переменным фо­кусным расстоянием. Конструктивные особенности объ­ективов накладывают отпечаток на способ их сборки.

Объективы представляют собой центрированные опти­ческие системы, т.е. систему линз или зеркал, центры кривизны сферических поверхностей которых располо­жены на прямой липни, называемой оптической осью системы.

В зависимости от точности центрирования линз раз­личают следующие основные типы объективов.

1.       Объективы «насыпной» конструкции, в которых линзы в оправах при сборке центрируют  с максимально возможной точностью относительно посадочных поверх­ностей оправы и устанавливают затем с минимально возможным зазором в общий корпус объектива без дополнительной юстировки.

2.       Объективы со свинчивающимися справами, линзы и оправы которых изготовляют по калибрам и соединяют между собой с минимально допустимыми зазорами. Оправы с линзами соединяют с корпусом объектива резьбой без дополнительной юстировки.

3. Объективы единичных приборов и приборов, вы­пускаемых мелкими сериями, детали которых подгоняют в процессе сборки, сопровождаемой юстировкой.

Процесс сборки объективов должен обеспечить: полу­чение требуемых параметров объектива (фокусного и ра­бочего расстояний, разрешающей силы и необходимого качества изображения); надежную и длительную работу объектива в реальных условиях эксплуатации; выпуск необходимого количества объективов в установленные сроки.

Процесс сборки объектива имеет два этапа: предвари­тельную и окончательную сборку.

Предварительная сборка включает в себя:

подготовку механических деталей (промывку и чистку деталей);

сборку механических узлов объектива (ирисовой диа­фрагмы, фокусировочной оправы объектива);

предварительную сборку блока объектива, т. е. уста­новку и крепление линз в оправах и сборку оправ с лин­зами в корпусе объектива, при которой обеспечивают не­обходимую величину межлинзовых воздушных промежутков.

Окончательная сборка включает в себя:

чистку линз в оправах;

установку оправ с линзами в корпусе объектива и цен­трирование объектива;

сборку механизмов, располагающихся на объективе;

выполнение рабочего расстояния объектива;

окончательную чистку внешних деталей объектива;

контроль параметров объектива в лаборатории и ОТК с оформлением паспорта;

упаковку объектива для отправки в цех сборки фото­аппаратов или на склад готовой продукции.

Приведенная последовательность сборки типична для мелкосерийного изготовления объективов. При индиви­дуальной сборке объективов возможно совмещение эта­пов сборки.

При крупносерийном изготовлении объективов указанные этапы сборки разбивают на более мелкие и сбо­рочный процесс часто оформляют в виде конвейерной сборки.

Сборка объектива без последующей юстировки воз­можна лишь при изготовлении деталей с очень высокой точностью из материалов, полностью отвечающих предъ­являемым требованиям. Однако в условиях реального производства размеры деталей объектива имеют отклонения от номинальных величин. Эти отклонения необходимо компенсировать в процессе сборки.

Реальный объектив, изображая предмет, вносит иска­жения в его форму, цвет, соотношение яркостей его частей. Эти искажения обусловлены:

остаточными аберрациями объектива (искажениями изображения, допускаемыми при расчете объектива);

отклонениями размеров оптических деталей и формы их преломляющих и отражающих поверхностей;

отклонениями преломляющих свойств стекла, возни­кающими при его варке (изменение показателя преломле­ния по объему стекла);

неточным взаимным расположением оптических дета­лей в собранном объективе, вызываемым неточностью из­готовления оправ и децентрировкой линз;

неодинаковым спектральным пропусканием просвет­ляющих пленок и стекла линз;

влиянием рассеянного света, возникающего в резуль­тате отражения света от поверхностей линз и оправ.

Отклонения показателей преломления линз в полу­ченной партии стекла учитывают перед изготовлением опти­ческих деталей путем перерасчета толщин линз, расстоя­ний между линзами и иногда радиусов линз. Сочетание показателей преломления стекла линз в данной партии называется комбинацией и обозначается порядковым но­мером в сопроводительном документе партии оптических деталей.

Отклонения толщин линз компенсируют, подбирая их таким образом, чтобы по возможности не увеличивать абер­раций объектива. При этом в случае необходимости из­ меняют величину междулинзовых воздушных промежут­ков. Поэтому к комплекту линз, направляемому на сборку
объектива, прилагают комплектовочную таблицу, в ко­торой указываются номер комбинации парт; и стекла, от­клонения толщин линз и окончательные величины воздуш­ных промежутков, которые необходимо выдержать при
сборке объектива.

Отклонения радиуса линзы от номиналы ой величины (так называемой «цвет» поверхности) и отклонения формы поверхности линз проверяют сравнением с эталонной по­верхностью при изготовлении линзы и не учитывают при комплектации линз.

Неблагоприятное сочетание перечисленных отклонений приводит к существенному ухудшению качества изобра­жения и к необходимости изменения воздушных проме­жутков объектива после его сборки.

Дефекты поверхностей линз «(бугры», «ямы», двойная кривизна поверхности, «сорванный цвет») и недопустимая оптическая неоднородность стекла (плавная или в виде «свилей») не могут быть скомпенсированы при сборке объектива.

Деформации поверхностей линз и зеркал при креп­лении в оправах должны быть устранены перед сборкой, так как ухудшение качества изображения, вызванное их воздействием, в процессе сборки нельзя скомпенсировать.

При чрезмерном ухудшении качества объектива от суммарного воздействия указанных выше причин объектив бракуют и возвращают для устранения этих причин.

Важнейшей операцией при сборке объектива является его центрирование.

Центрированием объектива называется расположение центров кривизны всех оптических поверхностей на одной прямой линии, называемой оптической осью объектива:

Смещение центра кривизны поверхности с оптической оси объектива называется децентрировкой поверхности и приводит к ухудшению качества изображения, образуе­мого объективом, что выражается в появлении «комы» в центре поля изображения и наклоне плоскости изобра­жения с наилучшей резкостью.

Допустимые значения децентрировки для каждой опти­ческой поверхности вычисляют при расчете объектива, учитывают при разработке конструкции и назначении до­пусков на изготовление деталей и сборку объектива.

Сборка объективов насыпной конструкции

Метод сборки объективов насыпной конструк­ции называют автоколлимационным методом сборки. Его применяют для объективов, требующих особенно точного центрирования линз, например сильных микрообъективов, светосильных киносъемочных объективов, широкоугольных фотообъективов.

Метод сборки заключается в центрировании базовых поверхностей оправы относительно оптической оси линзы. Затем оправы с линзами вставляют в корпус объектива с минимальным зазором по диаметру оправ. В результате центры кривизны поверхностей линз будут расположены с достаточной точностью вблизи геометрической оси кор­пуса объектива, т. е. обеспечивается хорошая центрировка объектива. Конструктивное оформление, объектива, со­бранного автоколлимационным методом, показано на рис.1.

Линзы, предназначен­ные для автоколлимаци­онной сборки, в оптиче­ском цехе центрируют с невысокой точностью (0,03—0,1 мм). Оправы для линз изготовляют в механическом цехе с припусками по наружному диаметру и торцам. Затем линзы закрепляют в оправах завальцовкой или резьбовым кольцом.

 Рассмотрим чертеж линзы фотообъектив в оправе для автоколлимационной сборки (рис.2).

На чертеже обычно указывают допустимые децентрировки поверхностей А и Б относительно геометрической оси оправы 20**. Допустимые децентрировки берут из оптической схемы объектива. Центры кривизны поверх­ностей линзы, закрепленной в оправе, расположены от­носительно оси оправы линзы с децентрировками, пре­вышающими допустимые (так как оправа под линзу изго­товлена заранее в механическом цехе по 2-му или 3-му классам точности, а линза имеет децентрировку при из­готовлении в оптическом цехе).

Рис.1. Широкоугольный фотообъектив Рис.2. Пример чертежа линзы

«Руссар МР-2» (=20мм)                      для автоколлимационной

сборки.

Децентрировку можно уменьшить до допустимой ве­личины, если линзу в оправе на специальном центрировочном патроне смещать и разворачивать таким образом, чтобы центры кривизны ее поверхностей совместились с осью вращения шпинделя токарного станка, после чего обработать базовые поверхности оправы. При этом опти­ческая ось линзы совмещается с геометрической осью оправы с требуемой точностью.

Рассмотрим схематически процесс центрирования линзы. На рис. 3, а изображена линза, установленная в центрировочном патроне. Линза установлена так, чтобы центр кривизны наружной поверхности линзы был рас­положен в одной плоскости с центром кривизны О сфери­ческой части патрона. Центры кривизны поверхностей линзы  и  смещены относительно оси шпинделя станка и при вращении шпинделя описывают окружности. Сме­щения центров кривизны с оси вращения шпинделя наблюдают и измеряют с помощью автоколлимационной центрировочной трубки ЮС-13, разработанной А.А. Забелиным.

Трубку укрепляют на задней бабке токарного станка. Вращением винтов 1, расположенных через 90° вокруг оси шпинделя, подвижную часть патрона смещают в пло­скости, перпендикулярной к оси шпиндели, так, что центр кривизны линзы  совмещается с осью шпинделя (рис. 3, б). Биения центра кривизны  при вращении шпинделя в этом случае не наблюдается, биение центра кривизны  увеличивается. Вращением винтов 2, пере­мещающих сферическую часть патрона, центр кри­визны  совмещают с осью шпинделя (рис.3, в). При этом центр кривизны  не смещается с оси шпинделя, так как он был расположен, в одной плоскости с центром сферической части патрона. При вращении шпинделя бие­ние обоих центров кривизны линзы отсутствует. В резуль­тате оправа линзы будет иметь перекос, но оптическая ось линзы будет совмещена с осью шпинделя. Вызванный юстировкой перекос оправы устраняют проточкой рез­цом 3 ее торца и наружной поверхности, не снимая линзы с центрировочного патрона. Наружную поверхность оправы линзы с 20** протачивают до размера, равного диаметру корпуса объектива, с минимально необходимым зазором (порядка 0,01 мм). Торец оправы подрезают так, чтобы можно было выдержать указанный на чертеже линзы размер 0,54 ± 0,01 мм. Расстояние от линзы до торца при подрезке измеряют индикаторным приспо­соблением, показанным на рис. 4, а. Затем линзу сни­мают с центрировочного патрона и устанавливают в цан­говый патрон токарного станка на обработанное базовые поверхности. Подрезают второй опорный торец оправы таким образом, чтобы выдержать размер 3±0,01 мм до второй поверхности линзы (см. рис. 4, б). Процесс цен­трирования линзы окончен.

Устройство автоколлимационной трубки ЮС-13. Схема автоколлимационной трубки ЮС-13 приведена на рис. 5. Прозрачное перекрестие па зеркале 8 трубки, подсвечен­ное осветителем 7, проецируется объективом 2 на пло­скость, в которой расположен центр  кривизны центри­руемой линзы 1.

Рис.3. Центрировочные линзы.

Рис.4. Обработка оправы линзы после центрирования

Изображение перекрестия совмещают с центром кри­визны линзы в поперечном направлении путем наклона трубки при разгибании пружины 5 винтом 6. Лучи, света, образующие изображение перекрестия в центре кривизны линзы, отражаются от поверхности линзы, установленной на центрировочном патроне, и возвращаются в трубку собранные объективом 2 на зеркале 8. Отразившись от зеркала, лучи образуют увеличенное изображение пере­крестия па измерительной сетке 4 микроскопа 3.

Наблюдение за децентрировкой С центра кривизны линзы ведут при вращении шпинделя станка. Схема наблю­дения показана на рис.6. Осевой луч t пучка, выходя­щего из трубки ЮС-13, из-за смещения  центра кривизны отражается от линзы по направлению  и возвращается в объектив трубки под углом  по отношению к первоначальному напра­влению, пучка t. При пово­роте шпинделя на 180° центр кривизны линзы займет по­ложение  и осевой луч t отразится по направлению , возвращаясь также под углом  к лучу t, но с противо­положной стороны от оси шпинделя. Таким образом, при повороте шпинделя с линзой отраженный луч описывает коническую поверхность с углом конуса . В результате изображение перекрестия трубки, образуемое отражен­ными лучами , описывает на сетке микроскопа окруж­ность, диаметр D которой соответствует N делениям сетки.

Диаметр окружности (в мм)

,     (1)

где  С — децентрировка центра кривизны линзы в мм;

 — линейное увеличение объективе микроскопа 3(рис. 5);

— линейное увеличение объектива 2 трубки;

 — интервал деления сетки микроскопа в мм.

Из формулы (4) следует, что величина децеитрировки

Рис.5. Схема автоколлимационной трубки ЮС-13

Перемещая объектив 2 (рис. 5.) в тубусе, изображе­ние перекрестия трубки можно поместить практически на любое расстояние S от торца тубуса объектива. Вели­чина S лежит в пределах от —5 см до —∞ и от +∞ до 9 см, что позволяет наблюдать изображения центров кривизны поверхностей линз с радиусами любой величины. При этом изменяется увеличение . Для удобства определения децентрировки С на трубке нанесена шкала величины , выраженной в микрометрах, для каждого положения объектива 2 в тубусе.

Рис.6. Схема наблюдения децентрировки.

Значения К для трубки ЮС-13 с объективом 2, состоя­щим из двух склеенных линз, приведены в табл. 1.

Таблица 1

При положении шкалы трубки «∞» угол наклона плоской поверхности линзы, соответствующий диаметру биения перекрестия в одно деление шкалы, равен 19" (для трубки ЮС-13).

Определив по сетке трубки число делений N, занимае­мых диаметром окружности биения автоколлимационного блика от поверхности линзы, определяют децентрировку поверхности:

С = KN    (2)

Допустимое биение центров кривизны  для каждой поверхности линзы указывают в технологической карте сборки в виде допустимого числа делений трубки:

Рис.7. Автоколлимационные точки одиночной линзы.

Расчет автоколлимационных точек. Автоколлимацион­ной точкой называется точка на оси линзы, в которую не­обходимо поместить светящееся изображение перекрестия трубки чтобы получить отраженное от поверхности линзы изображение перекрестия па сетке трубки. Автоколли­мационные точки для всех поверхностей линзы рассчиты­вают и вписывают в технологическую карту сборки. Отсчет положения автоколлимационных точек ведут от поверхности линзы, ближайшей к трубке ЮС-13.

Расчёт ведут по следующим формулам нулевых лучей для хода луча через преломляющие поверхности

 - для высоты луча;

-для углов;

При расчёте соблюдают правило знаков, принятое в геометрической оптике.

Определим автоколлимационные точки для линзы, показанной на рис.7.

Радиусы линзы =-30,1 мм;=35,26 мм; толщина линзы =2мм;

показатель преломления  =1,6242 мм; показатель преломления воздуха .

Из точки  направляем луч на высоте  по радиусу  и определяем точку пересечения этого луча с осью линзы (точка ) после преломления на поверхности 2. Эта точка и будет автоколлимационной точкой для поверхности 1. Высоту  принимают равной единице. Как сле­дует из рис. 7,

После преломления на поверхности 2 линзы луч пересечет оптическую ось линзы под углом

Знак минус в последней формуле означает, что авто­коллимационная точка для поверхности 1 располагается слева от точки О.

Автоколлимационной точкой для поверхности 2 линзы является центр ее кривизны. Поэтому  мм.

Вследствие преломления луча на поверхности 2 через трубку наблюдают не истинную величину биения центра кривизны  а ее изображение через поверхность 2. Поэтому при определении децентрировки поверхности 1 число делений N биения блика на сетке трубки следует умножить на увеличение W преломляющей поверхности, определяемое по формуле

,

т. е. децентрировка поверхности 1 в данном случае изобра­жается на сетке трубки уменьшенной в 1,44 раза.

Для поверхности 2 увеличение равно единице, и для расчета децентрировки в формулу (2) подставляют непосредственно число делений N биения блика на сетке трубки.

Для склеенных линз автоколлимационные точки рас­считывают аналогичным способом с учетом всех преломляющих поверхностей.

Увеличение W при этом определяют делением величины последнего угла  на . Показатель преломления n берут для стекла линзы, децентрировку поверхности которой определяют.

Для контроля децентрировки склеенных по­верхностей также рассчитывают автоколлимацион­ные точки.

Рис.8. Разрез центрировочного патрона.

При автоколлимационной центрировке склеенных линз с осью шпиндели совмещают только центры кривизны наружных поверхностей линзы. Если наружные поверх­ности линзы концентричны, то с осью шпинделя совмещают и центр кривизны склейки.

Установка линзы на центрировочном патроне и расчет длины переходных втулок (оправок) для автоколлима­ционной центрировки. Для установки линзы на центри­ровочном патроне в оправе линзы предусматривают тех­нологическую резьбу (см. резьбу М 18 X 0,5 на рис. 2). Разрез центрировочного патрона показан на рис. 8. Линзу в оправе устанавливают на патроне так, чтобы центр кривизны поверхности линзы, ближайшей к трубке ЮС-13, находился в плоскости, где расположен центр кривизны сферической части патрона (рис. 9, а). Для этого между оправой линзы и опорным торцом патрона устанавливают переходную втулку (оправку) длиной L. Длина оправки определяется из равенства

Величины  и  маркируют на патроне при его изго­товлении. Величины  и  определяют из чертежа линзы. Для линз, у которых поверхность, ближайшая к трубке, выпуклая, центры кривизны совмещают так, как пока­зано на рис. 9, б. В этом случае . Если  велико, то оправка становится настолько длинной, что затрудняет работу с патроном, а обточка оправы линзы после центрирования становится невоз­можной вследствие малой жесткости системы патрон— оправка.

Для устранения этого недостатка инженер В. С. Жи­лин предложил центрировочный патрон с радиусом сфери­ческой поверхности противоположного знака — патрон с «отрицательным радиусом» (рис. 9, в). Для такого па-тропа длина оправки L невелика и жесткость системы достаточна для проточки оправы линзы. Длина оправки в этом случае

Рис.9. Схема для расчёта длины оправки

ЛИТЕРАТУРА

1.                 Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. Машиностроение, 2006. - 304 с.

2.                 Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов. Высшая школа, 2005. - 325с.

3.                 Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. Машиностроение, 2004. - 333 с.