автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование аппаратуры для измерения основных характеристик оптических систем и приборов

Введение.

1 Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по вопросу устройств и методов измерения радиусов кривизны и фокусных расстояний оптических систем.

1.1 Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.1.1 Механические методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем

1.1.2 Методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем с использованием специальных контактных элементов.

1.1.3 Коллимационные методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.1.4 Интерференционные методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.1.5 Зеркальные методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.1.6 Лазерные методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.1.7 Голографические методы измерения радиусов кривизны сферических поверхностей оптических систем.

1.2 Измерение фокусных расстояний оптических систем.

1.2.1 Коллимационные методы измерения фокусных расстояний.

1.2.2 Автоколлимационные методы измерения фокусных расстояний.

1.2.3 Интерференционные методы измерения фокусных расстояний.

1.2.4 Комбинированные методы измерения фокусных расстояний.

Выводы

2 Теоретическое обоснование направления совершенствования оптических измерительных приборов.

2.1 Фотоприемные устройства в измерительной технике.

2.2 Измерение фокусных расстояний оптических систем.

2.3 Математическая модель фокометра.

Выводы

3 Варианты схемных решений ряда оптических измерительных задач

3.1 Измерение малых фокусных расстояний.

3.1.1 Оптический измерительный блок.

3.1.2 Оптическая схема фокометра с подвижным фотоприемным устройством

3.1.3 Устройство для измерения фокусных расстояний фотообъективов

3.1.4 Оптический измерительный блок с неподвижным фотоприемным устройством.

3.1.5 Фокометр с неподвижным фотоприемным устройством.

3.2 Измерение средних и больших фокусных расстояний оптических систем.

3.2.1 Оптические измерительные блоки.

3.2.2 Оптические схемы устройств для измерения средних и больших фокусных расстояний.

3.3 Оптические приборы для офтальмологии.

3.3.1 Проекционные диоптриметры.

3.3.2 Автоматический диоптриметр.

3.3.3 Устройство для измерения межзрачкового расстояния очков.

3.4 Автоматический сферометр.

Выводы

4 Универсальные контрольно-измерительные приборы.

4.1 Автоматический фокометр-сферометр.

4.2 Универсальный прибор для проверки очков.

4.3 Комплексное устройство для измерения характеристик телескопических систем.

В настоящее время оптические и оптико-электронные приборы все глубже внедряются во все области человеческой деятельности: от использования в быту и производстве до научных исследований и сложных экспериментов. Интерес к оптическим приборам, очевидно, долгое время не будет ослабевать, а значит, появятся новые, более точные и современные приборы, основой которых останутся оптические системы.

Разрабатывая и строя совершенные оптические приборы, нельзя обойтись без современных высокоточных автоматизированных устройств для контроля и измерения характеристик оптических систем, сборочных единиц и оптических приборов в целом.

Актуальность темы. Под воздействием естественного процесса развития науки и техники сложилась традиционная технология измерения характеристик оптических систем и приборов, используемая в оптическом производстве. Эта технология основывается на низкопроизводительных, громоздких приборах визуального типа, часто невысокой степени точности. Традиционная технология не отвечает современным требованиям в области измерений.

Является очевидной сложная, разветвленная структура изготовления оптического прибора, на каждом этапе производства которого необходимо измерение определенных характеристик, для получения, в конечном счете, прибора с заданными техническими параметрами. В некоторых случаях необходим стопроцентный контроль, но в условиях массового производства при существующих методах контроля это требование не выполнимо, или приводит к непомерному росту себестоимости прибора, что противоречит современным требованиям производства.

Для определения возможных путей развития контрольно-юстировоч-ной базы оптического производства следует проанализировать достоинства и недостатки существующих методов оптических измерений. Для каждого этапа изготовления оптического прибора характерен свой перечень измеряемых характеристик. Очевидно, что проанализировать все существующие методы измерения всех характеристик оптических систем и приборов на каждом этапе их изготовления в рамках данной работы невозможно, поэтому следует ограничить круг исследуемых оптических систем и их характеристик, влияющих на качество оптического изображения в целом.

Не вызывает сомнений, что наиболее характерной оптической системой является линза. Две основных характеристики, которой - радиусы кривизны сферических поверхностей и фокусное расстояние, необходимо контролировать при изготовлении.

Целью диссертационной работы является разработка объективных методов и принципиальных схем измерительных устройств для измерения характеристик оптических систем и приборов.

Указанная цель достигается путем решения следующих задач:

- обзора и анализа существующих принципов и приборов для измерения некоторых характеристик оптических систем и приборов;

- определением основных перспективных направлений в области измерительной техники;

- исследованием точностных характеристик современных фотоприемных устройств;

- созданием оригинальной математической модели на базе системы линейных уравнений;

- разработкой метода измерения в двух плоскостях;

- разработкой алгоритма обработки результата измерений;

- разработкой принципиальных схем и точностным анализом оптических измерительных приборов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:

- оригинальная математическая модель на базе системы линейных уравнений связана с принципом построения оптического измерительного прибора;

- исследована математическая модель с целью выявления погрешностей оптического измерительного прибора;

- разработана методика выбора конструктивных параметров устройства для измерения фокусных расстояний оптических систем при заданной точности измерения;

- предложен объективный метод измерения характеристик оптических систем и приборов.

На защиту выносятся:

- математическая модель, описывающая ход луча в прямоугольной системе координат и позволяющая определять коэффициент, соответствующий фокусному расстоянию оптической системы;

- методика выбора конструктивных параметров устройства для измерения фокусного расстояния оптических систем в зависимости от желаемой точности измерения;

- принципиальные схемы устройств для измерения характеристик оптических систем и приборов;

- алгоритм обработки результата измерений;

- комплексное устройство для измерения характеристик телескопических систем.

Практическая ценность работы заключается в том, что, разработаны принципиальные оптические схемы ряда устройств нового типа для измерения различных характеристик оптических систем и приборов, алгоритм обработки результата измерения и предложена методика выбора конструктивных параметров этих устройств.

Особое внимание уделено оптическим приборам медицинского направления, используемым в офтальмологии.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

- Международной конференции "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении". Новосибирск, 1995 г.;

- ХЬУ научно-технической конференции преподавателей СГГА. Новосибирск, 1995 г.;

- ХЬУ1 научно-технической конференции СГГА посвященной 30-летаю оптического факультета. Новосибирск, 1996 г.;

- ХЬУП научно-технической конференции преподавателей СГГА. Новосибирск, 1997г.;

- Международной НТК "220 лет геодезическому образованию в России", посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК). Москва, 1999 г.;

- Всероссийском форуме "Восток - Сибирь - Запад. Всероссийский экономический форум. Сибирь: экспорт - импорт. Международная промышленная выставка". Новосибирск, 1999 г.

Основные положения изложены в 12 печатных работах, включая тезисы 5 докладов, 3 заявки на изобретения и учебное пособие для студентов оптического факультета - "Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений". В работах, написанных в соавторстве, личный вклад соискателя состоял в разработке математической модели, алгоритма обработки результата измерений, проведении теоретических выводов и расчетов, разработке принципиальных схем ряда приборов.

На основании теоретических положений разработано и изготовлено оптико-электронное устройство для измерения фокусных расстояний фотообъективов.

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре раздела и заключение. Аналитический обзор выполнен в первом разделе. Во втором разделе рассмотрено теоретическое обоснование решения поставленной задачи. Третий раздел посвящен проблеме схемного решения

Основные результаты, полученные в ходе работы, могут быть обобщены следующими пунктами:

- произведен сравнительный анализ различных методов и установок для измерения радиусов кривизны сферических поверхностей и фокусных расстояний силовых оптических систем. Установлено несоответствие существующих контрольно-измерительных приборов современным требованиям автоматизации и универсальности при выполнении измерений. Проанализирована возможность использования ряда электронных ФПУ в качестве приемника информации в точном оптическом измерительном приборе;

- в соответствие распространению луча света после силовой оптической системы поставлена линейная функция, вид которой зависит от фокусного расстояния системы;

- предложен бесконтактный метод измерения фокусных расстояний силовых оптических систем и некоторых других характеристик оптических приборов;

- разработана методика определения конструктивных параметров оптических измерительных блоков в соответствии с необходимой точностью измерений;

- разработаны оптические измерительные блоки, на базе которых предложен ряд устройств для измерения характеристик оптических систем и приборов в автоматическом режиме. Проведенный анализ подтверждает высокие точностные характеристики предлагаемых устройств;

- на основе экспериментальных данных выбрано ФПУ, которое может быть использовано при реализации предложенного метода измерений.

- экспериментальные исследования макета одной из разработанных установок подтверждают правильность теоретических выводов.

Таким образом, полученные в ходе работы результаты, содержащие

1. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения.- М.: Машиностроение, 1987. 263 с.

2. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра, 1968. - 264 с.

3. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. JL- М.: Гостехиздат, 1948. - 280 с.

4. Арнюльф А. Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей, применяемых в оптике. Л - М.: ОНТИ, 1936. - 147 с.

5. A.c. 1460600 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Способ контроля радиуса кривизны сферических поверхностей оптических деталей / Ю.П. Контиев-ский, A.B. Бакеркин. Заявл. 08.06.87; Опубл. 23.02.89, Бюл. № 7 // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 7. - С. 56.

6. A.c. 1379615 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Устройство для измерения радиуса кривизны сферической поверхности оптической детали / A.B. Бакеркин. Заявл. 16.09.86; Опубл. 07.03.88, Бюл. № 9 // Открытия. Изобретения.- 1988.-№9.-С. 120.

7. Нечаева А.И., Захарова В.К. Измерение радиусов кривизны // ОМП.- 1962.-№ 11.- С. 18-20.

8. A.c. 1293484 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Способ измерения радиуса кривизны сферической поверхности оптической детали / A.B. Бакеркин. Заявл. 11.01.85; Опубл. 28.02.87, Бюл. № 8 // Открытия. Изобретения. - 1987. -№ 8. - С. 235.

9. A.c. 1747882 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Способ измерения радиуса кривизны сферической поверхности оптической детали / A.B. Бакеркин. Заявл. 03.08.90; Опубл. 15.07.92, Бюл. № 26 // Открытия. Изобретения. - 1992. -№26.-С. 83.

10. A.c. 1322088 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Способ измерения радиуса кривизны поверхности оптической детали / A.M. Горбань, Ю.Б. Пасько,

11. B.K. Разунков, В .П. Тетера, В.П. Ялинич. Заявл. 10.11.84; Опубл. 07.07.84, Бюл. № 25 // Открытия. Изобретения. - 1987. - № 25. - С. 115.

12. A.c. 1747881 СССР. МКИ G 01 В 11/24. Способ контроля радиуса кривизны оптических сферических поверхностей / A.A. Курибко, Н.С. Селезнев. Заявл. 11.03.90; Опубл. 15.07.92, Бюл. № 26 // Открытия. Изобретения. - 1992. -№ 26. - С. 73.

13. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. М.: Машиностроение, 1974. - 333 с.

14. ГОСТ 13095-82. Объективы. Методы измерения фокусного расстояния Введ. 01.01.84. - М.: Изд-во Стандартов, - 1982. - 11 с.

15. A.c. 2025692 Россия. МКИ G 01 М 11/00. Способ измерения характеристик оптических систем / A.C. Васютин. Заявл. 26.12.91; Опубл. 30.12.94, Бюл. № 24 // Открытия. Изобретения. - 1994. - № 24. - С. 92.

16. A.c. 892205 СССР. МКИ G 01 В 11/00. Устройство для контроля фокусных расстояний положительных линз / A.B. Подобрянский, А.Д. Заболотский. Заявл. 10.04.80; Опубл. 23.12.81, Бюл. № 47 // Открытия. Изобретения. - 1981. -№ 47. -С. 211.

17. A.c. 1048346 СССР. МКИ G 01 М 11/00. Способ определения оптических характеристик длиннофокусных объективов / О.Г. Лысенко, О.Г. Мартыненко, А.И. Жидович. Заявл. 08.04.82; Опубл. 15.10.83, Бюл. № 38 И Открытия. Изобретения. - 1983. - № 38. - С. 118.

18. A.c. 1300316 СССР. МКИ G 01 М 11/00. Устройство определения фокусного расстояния объективов / П.А. Санников. Заявл. 19.11.85; Опубл. 30.03.87, Бюл. №12 // Открытия. Изобретения. - 1987.- №12. -С. 47.

19. Санников П.А. Определение фокусного расстояния оптических систем методом продольного увеличения // ОМП. 1987. - № 3. - С. 47 - 51.

20. A.c. 1612214 СССР. МКИ G 01 M 11/00. Устройство для определения фокусного расстояния оптической системы / П.А. Санников. Заявл. 27.01.86; Опубл. 07.12.90, Бюл. № 45 // Открытия. Изобретения. - 1990. -№45. -С. 163.

21. A.c. 1696930 СССР. МКИ G 01 M 11/00. Способ определения фокусного расстояния оптической системы / Я.Г. Соскинд, C.B. Морозов, К.Ю. Саар, И.В. Москаленко. Заявл. 04.05.88; Опубл. 07.12.91, Бюл. № 45 // Открытия. Изобретения. - 1991. - № 45. - С. 66.

22. A.c. 1578553 СССР. МКИ G 01 M 11/02. Способ измерения фокусного расстояния объектива / В.М. Волков, А.И. Шарапа, В.Н. Шпилевая. -Заявл. 16.11.87; Опубл. 15.07.90, Бюл. № 26 // Открытия. Изобретения. -1990.-№26.- С. 263.

23. A.c. 1652852 СССР. МКИ G 01 M 11/00. Способ определения фокусного расстояния объектива / Ю.В. Кондратов. Заявл. 26.06.89; Опубл. 30.05.91, Бюл. № 20 // Открытия. Изобретения. - 1991. - № 20. - С. 208.

24. Патричный В.А., Сире А.Ш. Мировые тенденции развития методов и средств измерений: Аналит. обзор М.: Изд-во стандартов, 1994. -71с.

25. Богданович В.Б., Литовченко Т.Д., Шаповал C.JL, Паламар-чук A.JI. Многоэлементные кодовые All BIV фоторезисторы // ОМП.- 1986.-№ 5.-С. 19-21.

26. Никонов Б.С., Ревекина Э.И., Таубкин И.И., Тришенков М.А., Фример А.И., Фролов Н.В. Кремниевый многоэлементный кодовый фотоприемник // ОМП. 1983. - № 2. - С. 45 - 47.

27. Крутиков C.B., Логинов A.B. Многоэлементные приемники изображения. Новосибирск: Наука Сибир. отд-ние, 1991. - 96 с.

28. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.

29. Денисюк Г.В., Ванюшкин Ю.А., Нужин A.B., Ярышев С.Н. Использование матричных ПЗС для автоматизации процесса фокусировки // ОМП. 1989.-№3.-С. 48-51.

30. Голубовский Ю.М., Пивоварова Л.Н. Фотоэлектрические автоколлиматоры // Опт. журн. 1992. - № 9. - С. 3 - 12.

31. Маслюков Ю.С. Определение предельных погрешностей измерительных систем с преобразователями на приборах с зарядовой связью // ОМП. 1990. - № 4. - С. 70 - 73.

32. Голубовский Ю.М. Фотоэлектрические автоколлиматоры // ОМП. 1970. - № 5. - С. 55 - 63.

33. Бекшаев А.Я., Гримблатов В.М., Окунишников О.Н. Метод измерения смещения пучков с флуктуирующими параметрами при помощи квадрантного фотоприемника // Измер. техника. 1989. - № 9. - С. 16-18.

34. Пат. 1383127 Россия, МКИ G 01 M 11/00. Способ измерения фокусных расстояний оптических элементов и устройство для его осуществления / Б.А. Пизюта, Г.А. Сырова, П.Ф. Шульженко. Заявл. 16.04.86; Опубл. // Открытия. Изобретения. - 1988. - № 11. - С. 189.

35. A.c. 1695162 СССР. МКИ G 01 M 11/00. Фокометр / Б.А. Пизюта.- Заявл. 12.05.89; Опубл. // Открытия. Изобретения. 1991. - № 44. - С. 56.

36. Пат. 1523907 Россия, МКИ G 01 В 9/02. Сферометр / Б.А. Пи-зюта, Г.А. Сырова, П.Ф. Шульженко. Заявл. 09.11.87; Опубл. // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 43. - С. 122.

37. Пат. 2006792 Россия, МКИ G 01 В 11/00. Устройство для измерения радиусов кривизны поверхности детали / Б.А. Пизюта. Заявл. 22.03.91; Опубл. // Открытия. Изобретения. - 1994. - № 2. - С. 89.

38. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. - 280 с.

39. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Фотоприемные устройства в измерительной технике / Сиб. гос. геодез. акад. Новосибирск, 1998. - 7 с. Деп. в ВИНИТИ № 1992-98.

40. Михайлов И.О. Математическая модель фокометра // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "220 лет геодез. образованию в России", по-свящ. 220-летию со дня основания Моск. гос. ун-та геодезии и картографии. (МИИГАиК). М.: МГУГК. - 1999. - С. 69 - 70.

41. ГОСТ 4994-57. Стекла очковые неастигматические с рефракцией от -20 до +10 дптр. Нефацетированные -Введ.01.07.58. -М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов, -1960. -С. 267-274.

42. ГОСТ 7720-58. Стекла очковые неастигматические с рефракцией от +10,5 до +20 дптр. Нефацетированные. Введ. 01.01.59. - М.: Комитет стандартов, мер и измер. приборов, 1960. - С. 275 - 277.

43. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. JT.: Машиностроение, 1989. - 220 с.

44. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Геометрическая оптика и методы расчета оптических систем. М.: Машиностроение, 1965. - 362 с.

45. Фокометр / Пизюта Б.А., Михайлов И.О., Левковец В.В. // Заявка 97107947/28. Приоритет 13.05.97 // Открытия. Изобретения. 1999. - № 12. 4.2.-С. 292.

46. Фокометр / Пизюта Б.А., Михайлов И.О. // Заявка 96111800/28.

47. Приоритет 11.06.96 // Открытия. Изобретения. 1998. - № 28. Ч. 1. - С. 130.

48. Модель Д.М. Краткий справочник медицинского оптика. JL: Медицина, 1970. - 320 с.

49. Пизюта Б.А., Михайлов И.О. Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений: Учеб. пособие для студентов опт. фак. Новосибирск.: СГГА, 1996. - 76 с.

50. ГОСТ Р 50606-93 Оптика и оптические приборы. Диоптриметры Введ. 01.01.95. - М.: Изд-во Стандартов, 1995.

51. ГОСТ Р 51044-97 Линзы очковые. Общие технические условия -Введ.01.01.98. М.: Изд-во Стандартов,-1998.

52. Урмахер Л.С., Айзенштат Л.И., Зубюк В.Н., Ежов Н.И., Левицкая Б.Б., Торопова Г.Г. Технология изготовления очков. М.: Медицина, 1990.-356 с.

53. Сферометр / Михайлов И.О., Пизюта Б.А // Заявка 95111943/28. Приоритет 25.07.95 // Открытия. Изобретения. 1997. - № 17. - С. 24.

54. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Автоматизация процесса измерения параметров телескопических систем // Вестник СГГА. Новосибирск, 1998. -Вып. 3.-С. 90-95.

55. Михайлов И.О. Точностной анализ автоматизированного комплекса для измерения параметров телескопических систем / Сиб. гос. геодез. акад. Новосибирск, 1998. - 16 с. Деп. в ВИНИТИ № 1990-В98.

56. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Оптико электронный фокометр // Восток - Сибирь - Запад. Всерос. эконом, форум. Сибирь: экспорт - импорт. Междунар. промышл. выставка. Тез. докл. - Новосибирск: СГГА. - 1999. -С. 56.