CC BY
82
ИЗМЕРЕНИЕ ДЕЦЕНТРИРОВОК ЛИНЗ В ОПРАВАХ ДЛЯ МИКРООБЪЕКТИВОВ А.М. Бурбаев, Г.В. Егоров
В работе уточняется вид базового элемента оправы линзы в сборочной единице. Предлагается необходимый набор контролируемых погрешностей и их свойств для построения математической модели оптической сборочной единицы микрообъектива. Даются варианты указания этих погрешностей в сборочных чертежах линз в оправах при их аттестации. Предлагается схема измерения контролируемых погрешностей в сборке.
Современный микрообъектив состоит из ряда сборочных единиц (линз (склеек) в оправах), установленных в общем корпусе. Одним из путей повышения качества партии микрообъктивов может стать построение математических моделей его оптических сборочных единиц и проведение с их помощью комплектации и оптимизации ориентацию этих сборочных единиц в корпусе объектива программным путем. Для построения математической модели каждой конкретной сборки необходимо измерение всех необходимых значений ее геометрических характеристик.
Для решения вопроса о конструкции базового элемента оправы линзы и о ее геометрической оси проведем структурный анализ соединения оправы линзы (склейки) с корпусом микрообъктива [1, 2]. На рис. 1 показан структурный анализ эскиза соединения оправы линзы с корпусом объектива. По условиям работы это соединение должно быть неподвижным, т.е. у оправы с линзой отнимается шесть степеней свободы. Ограничение подвижностей оправы 2 относительно корпуса объектива 1 идет за счет двух контактных пар поверхностей.
7
КП2 - Л кл
Sx,Sy формой
%?9х9у
силой
аЕткг- анаше- СОК
Рис. 1. Структурный анализ соединения оправы линзы с корпусом объектива: 1 - корпус объектива; 2 - линза в оправе; КП1-III кл - контактная пара третьего класса, ограничивает одно линейное смещение вг и два угловых смещения фх и фу за счет сил реакции и угловое смещение фг за счет силы трения; КП2 - II кл - контактная пара второго класса, ограничивает два линейных смещения вх и ву, за счет сил реакции
Первая контактной пары 1 (КП1) образована контактом плоских кольцевых участков торца корпуса 1 и торца оправы 2 и является контактной парой Ш-его класса, т.е.
отнимает оправы три подвижности Sz, Sx, и фу - одно линейное смещение и два угловых поворота. Для того чтобы контактная пара работала, необходимо осуществить ее замыкание - формой или силой. С точки зрения точности предпочтительно силовое замыкание. В данном случае силовое замыкание обеспечивается резьбовым кольцом, прижимающим все оправы объектива к торцевой поверхности корпуса (на рис. 1 резьбовое кольцо не показано).
Кроме того, контактная пара КП1 за счет сил трения контактирующих поверхностей ограничивает поворот оправы фz.
Вторая контактная пара 2 (КП2) образована боковым участком цилиндрической поверхности корпуса 1 объектива и боковой поверхностью оправы 2. Такая контактная пара формально является контактной парой IV-ого класса и ограничивает четыре подвижности оправы 2: Sx, Sy^x и фу - два линейных смещения и два угловых поворота. В данной контактной паре осуществлено замыкание формой, так как для сборки и исключения температурных деформаций необходим минимальный гарантированный зазор. Из сказанного видно, что повороты фх и фу ограничиваются дважды контактной парой КП1 и контактной парой КП2, что приводит к неопределенности работы конструкции. Неясно, какая контактная пара ограничивает поворот, каковы погрешности ограничения поворотов оправы 2.
Для устранения этой неопределенности длину контакта по цилиндрическим поверхностям необходимо уменьшать. Чем меньше боковой зазор между корпусом 1 и оправой 2, тем меньше должна быть ширина этого пояска. В результате этих действий фактически контактная пара КП2 преобразуется из контактной пары IV класса в контактную пару II класса.
Базовым элементом оправы 2 линзы является узкое плоское кольцо на ее торце и узкая полоска ее боковой цилиндрической поверхности. Эти поверхности имеют четко заданную геометрическую ось, называемую геометрической осью оправы. Геометрическая ось оправы - это прямая линия, перпендикулярная плоской поверхности торца оправы и проходящая через центр круга, образованного на ней цилиндрической боковой поверхностью оправы. В технической документации это определение формулируется как ось, образованная плоской и цилиндрической поверхностями оправы.
Поэтому положение многих элементов сборочной единицы линза в оправе прежде всего координируется относительно геометрической оси оправы.
На рис. 2 обозначены измеряемые в процессе аттестации сборочной единицы «линза в оправе» погрешности. Погрешности обозначены следующим образом: ADo -погрешность диаметра центрировочного пояска оправы; Ado - погрешность толщины оправы по краю; AdB - погрешность расстояния между торцом Б оправы и вершиной сферической поверхности В линзы; AdE - погрешность расстояния между торцом Б оправы и вершиной сферической поверхности Е линзы; А//Ж - погрешность параллельности поверхности Ж оправы торцу Б оправы; AME - погрешность перпендикулярности плоской поверхности Е линзы оси, образованной поверхностями A и B оправы; A ФВ -погрешность центрировки центра кривизны сферической поверхности В линзы и относительно оси, образованной поверхностями A и В оправы; A ФГ - погрешность центрировки центра кривизны сферической поверхности В линзы и относительно оси, образованной поверхностями A и В оправы; A ФД - погрешность центрировки центра кривизны сферической поверхности В линзы и относительно оси, образованной поверхностями A и B оправы.
Погрешности ADo, AdB и AdE являются скалярными и характеризуются одним численным значением, а погрешности Ado, Ь//Ж, AME, AФB, AФГ и AфД являются векторными погрешностями, и для их характеристики необходимы два числовых значения: значение амплитуды A и значение фазового угла 0. Фазовые углы погрешностей 0 должны отсчитываться от одного общего положения оправы, отмеченного меткой на
оправе линзы. Таким образом, минимальная характеристика сборки склеенной линзы с оправой состоит из 15 числовых значений.
Рис. 2. Эскиз конструкции сборочной единицы линзы в оправе йо - номинальный диаметр центрирующего пояска оправы; dB - номинальная толщина оправы линзы; dE - номинальное расстояние между торцом Б оправы и вершиной сферической
поверхности В линзы
шщщщщщшшш
Рис. 3. Схема кругломера: 1 - стол прибора; 2 - контролируемая деталь; 3 - прецизионный шпиндель; 4 - измерительный щуп; 5 - центрирующие винты;
6 - ПЭВМ; 7 - основание прибора
Для материализации геометрической оси оправы сборки предлагается использовать осевую систему измерительного прибора для определения некруглости цилиндрических поверхностей деталей, называемого кругломером.
На рис. 3 изображена схема кругломера [6]. Основным элементом кругломера является прецизионная осевая система 3, обеспечивающая наименьшую погрешность измерения отклонений от цилиндричности поверхности контролируемой детали 2 в 0,05 мкм. Кроме того, программное обеспечение ПЭВМ 6 кругломера позволяет исключить остаточные погрешности центрирования контролируемой детали 2 на столе прибора 1.
Если на стол кругломера, предварительно выставленный перпендикулярно оси его вращения, поставить линзу в оправе и отцентрировать ее при помощи винтов 5 кругло-мера, то геометрическая ось оправы будет совпадать с ось вращения стола кругломера. Кроме того, измерительная система кругломера позволяет выявить остаточные погрешности установки сборочной единицы и исключить их из результатов измерений.
Для измерения децентрировок сферических поверхностей линз [4] необходимо на кругломере установить автоколлимационный цифровой микроскоп. На рис. 4 представлена схема варианта такого микроскопа.
Рис. 4..Схема автоколлимационного цифрового устройства измерения децентрировок линз и линз в сборочных единицах на кругломере: 1 - источник света; 2 - конденсор с диафрагмой; 3 - светоделительный кубик; 4 - микрообъектив; 5 - объектив устройства; 6 - контролируемая линза или сборочная единица с ней; 7 - вращающийся столик кругломера; 8 - шпиндель кругломера; 9 - ПЗС-матрица; 10 - дисплей ПВМ
Схема автоколлимационного цифрового устройства измерения децентрировок линз и линз в сборочных единицах на кругломере [6] основывается на объединении схемы автоколлимационной трубки А. Забелина [3] и схемы измерения разрешающей силы микрообъективов автоколлимационным методом Т.И. Соколовой [5] и замене окулярной части на ПЗС-матрицу 9 с дисплеем ПВМ 10 (см. рис. 4).
Таким образом, в работе уточняется вид базового элемента оправы линзы в сборочной единице. Предлагается необходимый набор контролируемых погрешностей и их свойств для построения математической модели оптической сборочной единицы микрообъектива. Даются варианты указания этих погрешностей в сборочных чертежах линз в оправах при их аттестации. Предлагается схема измерения контролируемых погрешностей в сборке.
Уточнение конструкции базового элемента оправы линзы (склейки) микрообъектива и понятия геометрической оси позволило определить полный набор геометрических характеристик этой сборочной единицы и обозначения их погрешностей на ее сборочном чертеже. Предложенная схема измерения погрешностей геометрических характеристик линзовых сборочных единиц микрообъектива на базе кругломера позволяет повысить точность измерений значений этих характеристик.
Наличие полного набора численных значений погрешностей геометрических характеристик для конкретной линзовой сборочной единицы микрообъектива с добавлением погрешностей показателя преломления стекол и погрешностей радиусов кривизны ее линз позволит построить цифровую модель для каждой линзовой сборочной единицы. На основании этих цифровых моделей линзовых сборочных единиц микрообъектива станет возможным проведение с их помощью комплектации и оптимизации ориентация этих сборочных единиц в корпусе микрообъектива программным путем. Проведение такого цикла работ позволит создать микрообьективы с уникальным качеством изображения.
Литература
1. Справочник конструктора оптико-мехнических приборов. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с. С. 396-413.
2. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов. - Л.: Машиностроение, 1982. - 312 с. С. 25-62.
3. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. - Л.: Машиностроение, 1982. - 237 с. С. 16-19, 167-169.
4. Криопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с. С.91-98.
5. Афанасьев В.А. Оптические измерения. - М.: Высшая школа, 1981. - 229 с. С. 211213.
6. Измерительный инструмент фирмы"М11;и1;оуо". Кругломер "Яоип^евЫ 16" Серия 211.
