Сборка объективов насыпной конструкции. Расчет автоколлимационных точек» МИНСК, 2008 Типы конструкций объективов оптических приборов. Общие требования к сборнке объективов. Разнообразные оптические приборы имеют са¬мые различные конструкции объективов: от двух трех- линзовых объективов телескопических приборов до слож¬ных многолинзовых фотообъективов с переменным фо¬кусным расстоянием. Конструктивные особенности объ¬ективов накладывают отпечаток на способ их сборки.Объективы представляют собой центрированные опти¬ческие системы, т.е. систему линз или зеркал, центры кривизны сферических поверхностей которых располо¬жены на прямой липни, называемой оптической осью системы.
В зависимости от точности центрирования линз раз¬личают следующие основные типы объективов. 1. Объективы «насыпной» конструкции, в которых линзы в оправах при сборке центрируют с максимально возможной точностью относительно посадочных поверх¬ностей 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, вы¬пускаемых мелкими сериями, детали которых подгоняют в процессе сборки, сопровождаемой юстировкой. Процесс сборки объективов должен обеспечить: полу¬чение требуемых параметров объектива (фокусного и ра¬бочего 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: предвари¬тельную и окончательную сборку.Предварительная сборка включает в себя: подготовку механических деталей (промывку и чистку деталей); сборку механических узлов объектива (ирисовой диа¬фрагмы, фокусировочной оправы объектива); предварительную сборку блока объектива, т. е. уста¬новку и крепление линз в оправах и сборку оправ с лин¬зами в корпусе объектива, при которой обеспечивают не¬обходимую величину межлинзовых воздушных промежутков.
Окончательная сборка включает в себя: чистку линз в оправах; установку оправ с линзами в корпусе объектива и цен¬трирование 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 фото¬аппаратов или на склад готовой продукции.
Приведенная последовательность сборки типична для мелкосерийного изготовления объективов. При индиви¬дуальной сборке объективов возможно совмещение эта¬пов сборки.При крупносерийном изготовлении объективов указанные этапы сборки разбивают на более мелкие и сбо¬рочный процесс часто оформляют в виде конвейерной сборки.
Сборка объектива без последующей юстировки воз¬можна лишь при изготовлении деталей с очень высокой точностью из материалов, полностью отвечающих предъ¬являемым 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 иска¬жения 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, возни¬кающими при его варке (изменение показателя преломле¬ния по объему стекла); неточным взаимным расположением оптических дета¬лей в собранном объективе, вызываемым неточностью из¬готовления оправ и децентрировкой линз; неодинаковым спектральным пропусканием просвет¬ляющих пленок и стекла линз; влиянием рассеянного света, возникающего в резуль¬тате отражения света от поверхностей линз и оправ.
Отклонения показателей преломления линз в полу¬ченной партии стекла учитывают перед изготовлением опти¬ческих деталей путем перерасчета толщин линз, расстоя¬ний между линзами и иногда радиусов линз. Сочетание показателей преломления стекла линз в данной партии называется комбинацией и обозначается порядковым но¬мером в сопроводительном документе партии оптических деталей.
Отклонения толщин линз компенсируют, подбирая их таким образом, чтобы по возможности не увеличивать абер¬раций объектива.При этом в случае необходимости из¬ меняют величину междулинзовых воздушных промежут¬ков. Поэтому к комплекту линз, направляемому на сборку объектива, прилагают комплектовочную таблицу, в ко¬торой указываются номер комбинации парт; и стекла, от¬клонения толщин линз и окончательные величины воздуш¬ных 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 по¬верхностью при изготовлении линзы и не учитывают при комплектации линз. Неблагоприятное сочетание перечисленных отклонений приводит к существенному ухудшению качества изобра¬жения и к необходимости изменения воздушных проме¬жутков 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 креп¬лении 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, образуе¬мого объективом, что выражается в появлении «комы» в центре поля изображения и наклоне плоскости изобра¬жения с наилучшей резкостью.
Допустимые значения децентрировки для каждой опти¬ческой поверхности вычисляют при расчете объектива, учитывают при разработке конструкции и назначении до¬пусков на изготовление деталей и сборку объектива. Сборка объективов насыпной конструкции Метод сборки объективов насыпной конструк¬ции 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 кор¬пуса объектива, т. е. обеспечивается хорошая центрировка объектива.
Конструктивное оформление, объектива, со¬бранного автоколлимационным методом, показано на рис.1. Линзы, предназначен¬ные для автоколлимаци¬онной сборки, в оптиче¬ском 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 поверх¬ностей линзы, закрепленной в оправе, расположены от¬носительно оси оправы линзы с децентрировками, пре¬вышающими допустимые (так как оправа под линзу изго¬товлена заранее в механическом цехе по 2-му или 3-му классам точности, а линза имеет децентрировку при из¬готовлении в оптическом цехе). Рис.1. Широкоугольный фотообъектив Рис.2. Пример чертежа линзы «Руссар МР-2» ( =20мм) для автоколлимационной сборки.
Децентрировку можно уменьшить до допустимой ве¬личины, 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 опти¬ческая 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 рас¬положен в одной плоскости с центром кривизны О сфери¬ческой части патрона. Центры кривизны поверхностей линзы и смещены относительно оси шпинделя станка и при вращении шпинделя описывают окружности.Сме¬щения 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 пло¬скости, 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, пере¬мещающих сферическую часть патрона, центр кри¬визны 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 бие¬ние обоих центров кривизны линзы отсутствует. В резуль¬тате оправа линзы будет иметь перекос, но оптическая ось линзы будет совмещена с осью шпинделя.Вызванный юстировкой перекос оправы устраняют проточкой рез¬цом 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 приспо¬соблением, показанным на рис. 4, а. Затем линзу сни¬мают с центрировочного патрона и устанавливают в цан¬говый 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 цен¬трирования линзы окончен.Устройство автоколлимационной трубки ЮС-13. Схема автоколлимационной трубки ЮС-13 приведена на рис. 5. Прозрачное перекрестие па зеркале 8 трубки, подсвечен¬ное осветителем 7, проецируется объективом 2 на пло¬скость, в которой расположен центр кривизны центри¬руемой линзы 1. Рис.3. Центрировочные линзы.
Рис.4. Обработка оправы линзы после центрирования Изображение перекрестия совмещают с центром кри¬визны 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 пере¬крестия па измерительной сетке 4 микроскопа 3. Наблюдение за децентрировкой С центра кривизны линзы ведут при вращении шпинделя станка.
Схема наблю¬дения показана на рис.6. Осевой луч t пучка, выходя¬щего 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 напра¬влению, пучка t. При пово¬роте шпинделя на 180° центр кривизны линзы займет по¬ложение и осевой луч t отразится по направлению , возвращаясь также под углом к лучу t, но с противо¬положной 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 отражен¬ными лучами , описывает на сетке микроскопа окруж¬ность, 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, изображе¬ние перекрестия трубки можно поместить практически на любое расстояние S от торца тубуса объектива.
Вели¬чина 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, состоя¬щим из двух склеенных линз, приведены в табл. 1. Таблица 1 S в см К в мкм —5 —6 —7 —9 —10 —14 —20 —50 —190 3 5 7 9 10 15 21 51 200 S в см К в мкм +64 +33 +20 +16 +12 +10 +9 64 33 20 15 10 8 6 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, занимае¬мых 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.
Автоколлимацион¬ной точкой называется точка на оси линзы, в которую не¬обходимо поместить светящееся изображение перекрестия трубки чтобы получить отраженное от поверхности линзы изображение перекрестия па сетке трубки. Автоколли¬мационные точки для всех поверхностей линзы рассчиты¬вают 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 сле¬дует из рис. 7, После преломления на поверхности 2 линзы луч пересечет оптическую ось линзы под углом Знак минус в последней формуле означает, что авто¬коллимационная 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 изобра¬жается 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 рас¬считывают 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 по¬верхностей также рассчитывают автоколлимацион¬ные точки.
Рис.8. Разрез центрировочного патрона. При автоколлимационной центрировке склеенных линз с осью шпиндели совмещают только центры кривизны наружных поверхностей линзы. Если наружные поверх¬ности линзы концентричны, то с осью шпинделя совмещают и центр кривизны склейки. Установка линзы на центрировочном патроне и расчет длины переходных втулок (оправок) для автоколлима¬ционной центрировки.Для установки линзы на центри¬ровочном патроне в оправе линзы предусматривают тех¬нологическую 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 изго¬товлении.
Величины и определяют из чертежа линзы.
Для линз, у которых поверхность, ближайшая к трубке, выпуклая, центры кривизны совмещают так, как пока¬зано 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 невоз¬можной вследствие малой жесткости системы патрон— оправка.Для устранения этого недостатка инженер В. С. Жи¬лин предложил центрировочный патрон с радиусом сфери¬ческой 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. Кривовяз Л.М Пуряев Д.Т Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории.
Машиностроение, 200.