CC BY
131
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 535.3: 681.75
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЮСТИРОВКИ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ ПАНКРАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)742-34-93, e-mail: [email protected]
Ксения Дмитриевна Волкова
OOO «Оптическое Расчетное Бюро», 630120, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 200, оф. 310, инженер-конструктор, тел. (923)240-77-94, e-mail: [email protected]
Евгений Витальевич Дружкин
ООО «ЛУГГАР», 630120, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 200, оф. 306, генеральный директор, тел. (962)829-63-39, e-mail: [email protected]
Продемонстрирована важность и трудоемкость этапа юстировки при проектировании и производстве оптических систем с переменным увеличением. В статье приведены описание, недостатки и преимущества существующих способов юстировки применительно к панкрати-ческим системам с двумя подвижными компонентами. Предложен способ юстировки телескопических приборов с панкратическими оборачивающими системами по авторской методике. Показана роль компьютерного моделирования при разработке юстировочного процесса изделия. Описывается создание «Юстировочного калькулятора» с помощью общедоступного и стандартного программного обеспечения. Обсуждаются результаты моделирования юстиро-вочного процесса на примере юстировки панкратического прицела. Сделан вывод о влиянии каждого подвижного компонента оборачивающей системы на изменение увеличения и дефокусировку всего изделия в целом. Показана актуальность селективной сборки панкратических прицелов. Предложена конструкция оправ подвижных компонентов с целью упрощения процесса юстировки с учетом технологических возможностей отечественных предприятий.
Ключевые слова: переменное увеличение, панкратический прицел, панкратическая зрительная труба, телескопическая система, афокальная система, двухкомпонентная оборачивающая система, движущиеся компоненты, панкратическая система, юстировка, конструкция, оптическое проектирование, селективная сборка, сборка.
Введение
Проектирование и производство оптического или оптико-электронного прибора - сложный, взаимозависимый, итерационный механизм [1, 2] на всех
этапах его реализации: функционального, конструкторского, технологического проектирования и производства. Объект исследования направлен на группу панкратических телескопических приборов [3, 4], исследование рассматривает взаимодействие таких ветвей проектирования и производства, как оптическое проектирование (расчет оптической системы), конструирование механики, расчет допусков, технологическая отработка, сборка и юстировка прибора с использованием возможностей оптического моделирования и расчета для упрощения процесса юстировки панкратических приборов.
На примере расчета затрат на различных этапах создания прибора, приведенного в [5], можно сделать вывод, что наибольшая доля трудоемкости при изготовлении систем с переменным фокусным расстоянием - от 40 до 70 % -приходится на изготовление оптических деталей и от 25 до 53 % - на сборочные цеха; доля механических цехов составляет 1-17 % [5, с. 32]. Трудоемкость обусловлена многими факторами, основные из которых: количество оптических элементов, конструктивная сложность их изготовления, требуемая точность изготовления (допуски) [6], точность расположения деталей, требования к перемещающимся деталям, способ изготовления деталей, узлов, методика их юстировки и квалификации рабочих. К основным причинам, определяющим большую трудоемкость в сборочных цехах, в соответствии с [5, с. 33], относятся: нерациональность конструктивных решений приборов; низкий уровень унификации элементов конструкции; большое количество юстировочных операций, в том числе и «доводка деталей на месте», для достижения требуемой точности расположения оптических элементов в собранном приборе; отсутствие научно обоснованных решений юстировочных задач, имеющих место при сборке прибора.
На основании вышеприведенных данных и опыта авторов в реальном производстве, календарное время, затрачиваемое на сборку и юстировку первых образцов каждого нового оптического прибора с панкратической сменой увеличения, сопоставимо со временем, затрачиваемым на разработку и расчет собственно оптической системы такого прибора. В условиях конкуренции в сфере выпуска и продвижения на рынке новых оптических и оптико-электронных приборов, любые способы, приемы, методы, направленные на ускорение (повышение эффектив ности, снижение трудозатрат) процесса сборки и юстировки, являются актуальными. К числу таких способов, по нашему мнению, относится и эффективное применение оптического проектирования на этапе юстировки приборов. На этапе конструирования прибора должны быть учтены характер сборки и разборки, предусмотрены условия удобного осмотра и устранения отклонений положений компонентов, обусловленных совокупностью допусков оптических и механических деталей, в процессе юстировки без нарушения положения других компонентов; разработаны принципиальные кинематические схемы механизмов и др. Все это указывает на необходимость наличия этапа обсуждения особенностей оптической системы и совместной работы оптиков-расчетчиков и конструкторов, включая итерационные возвраты [1] в процессе создания прибора.
Особенности юстировки панкратических телескопических систем
Данная статья фокусируется на рассмотрении приемов компьютерного моделирования процесса юстировки применительно к панкратическим телескопическим приборам с отношением максимального увеличения к минимальному (zoom), равным пяти и более. В статье применен аналитический метод с использованием численного моделирования в области синтеза панкратических систем, связывающий внешние характеристики системы с внутренними параметрами, с целью создания упрощенного процесса юстировки.
Непрерывное изменение увеличения панкратической оборачивающей системы с механической компенсацией обеспечивается перемещением двух компонентов I и II (рис. 1) по определенному закону так, чтобы расстояние между этими компонентами непрерывно менялось, но при этом длина панкратической системы (расстояние от предметной плоскости у' до плоскости изображения у'") оставалась неизменной на всем диапазоне увеличения. Закон движений компонентов определяется при разработке оптической системы, а конструктивно задается пазами 5 в корпусе 2 (рис. 1, а и 1, б). Винты 1 закреплены в оправах 4 компонентов I и II, поэтому при вращении корпуса 3 они будут скользить по пазам 5, а компоненты I и II - перемещаться вдоль оси панкратической системы.
б)
Рис. 1. Конструктивное исполнение панкратической оборачивающей системы с механической компенсацией:
а) сечение в плоскости панкратической оборачивающей системы; б) вид сверху без оправы 3; в) оправа 3; I - первый подвижный компонент панкратиче-
и /*—' и тт и и
ской оборачивающей системы; II - второй подвижный компонент панкратической оборачивающей системы; 1 - винты; 2, 3 - оправы; 4 - оправы компонентов I и II; 5 - пазы, по которым движутся оправы 4 с компонентами I и II
3
Основные контролируемые в процессе сборки и юстировки характеристики панкратических оборачивающих систем, высокие требования к которым обусловлены техническим заданием изделия, - это отклонения увеличений от номинальных значений и смещение плоскости изображения после оборачивающей системы при смене увеличения. Увод визирной линии при смене увеличения [7] в разработанных панкратических прицелах отсутствует из-за заложенного принципа при проектировании систем еще на этапе параксиального синтеза [8].
Юстировкой системы необходимо добиваться, чтобы на всем интервале перемещения компонентов I и II изображение у'' предмета у' (см. рис. 1, а) оставалось в передней фокальной плоскости окуляра и в центре поля зрения, а увеличение изменялось в заданном диапазоне. Осевое смещение плоскости изображения (далее - дефокусировка) можно оценить либо по диоптрийной трубке, если юстировка системы проводится с объективом и окуляром, либо при помощи микроскопа с внешней шкалой, если юстируется только узел компонентов I и II [9, с. 363].
На отклонение указанных характеристик влияет большое число параметров реального панкратического узла, среди которых основными являются:
- отклонение конструктивных параметров линз от расчетных значений;
- погрешность установки начального положения компонентов I и II;
- отклонение изготовления пазов 5 от расчетных значений траекторий движения линз (ширина паза, его положение относительно опорного торца, разворот пазов друг относительно друга) [10, С. 252-259] и т. д.
Согласно источнику [11], существует два метода определения влияния анализируемого параметра на свойства системы. Первый - использование зависимостей, связывающих дефокусировку и параметры системы. Второй - расчет хода лучей через оптическую систему, параметры которой последовательно, один за другим, изменяются на некоторое достаточно малое значение.
Авторам известны несколько работ, в которых первый применялся аналитический метод оценки влияния погрешности изготовления панкратических систем, например, расчет коэффициентов влияния [5], расчет дефокусировки двухкомпонентной оптической системы [12, с. 14], влияние параметров панкратических систем на дефокусировку [11, С. 145-155], влияние ошибок изготовления панкратической оборачивающей системы на дефокусировку и изменение линейного увеличения [13] и др. [14-16].
В большинстве вышеупомянутых методик оценки размера дефокусировки необходимо знать (соответственно, измерить) погрешности переменных воздушных промежутков, которые суммируются из целого ряда погрешностей изготовления различных деталей, и при расчете нужно учитывать характеристики системы, такие как поперечное увеличение компонентов при различных увеличениях системы, изменяющиеся межосевые расстояния и т. д., а некоторые из методик даны в общем случае. Поэтому методики, основанные только на аналитическом методе расчета юстировки, трудоемки и неудобны в использовании
при осуществлении сборки не только из-за громоздких вычислений, но также из-за необходимости измерения большого массива реальных значений параметров в каждом конкретном образце изделия, что влечет за собой высокие трудозатраты на этапе сборки прибора.
Авторы уделили особое внимание исследованию [13], как наиболее близкому и развернутому по теме, схожей с темой данной статьи. В этой работе был проведен анализ влияния ошибок изготовления панкратической оборачивающей системы на дефокусировку и изменение линейного увеличения. Для пан-кратической оборачивающей системы с двумя подвижными компонентами и механической компенсацией было выведено 10 уравнений, которые описывают зависимости изменения увеличения и дефокусировки от пяти возможных ошибок изготовления. Каждой зависимости присвоили свой коэффициент, и на примере конкретных систем (в тонких компонентах) анализировались значения этих коэффициентов для частных случаев. При расчете влияния ошибок изготовления по этой методике необходимо, по крайней мере, рассчитать 20 уравнений только для получения коэффициентов при крайних значениях увеличений, при этом пять ошибок изготовления изменяются всего на один шаг (на одно дискретное значение в одном направлении), что является недостаточным при таком анализе. Конечно, в случае автоматизации процесса, процедура анализа будет выполняться значительно быстрее, но в работе [13] программная реализация не предлагается, поэтому этот способ нерационален с точки зрения трудозатрат. С другой стороны, применение данной методики возвращает пользователя к необходимости измерения полученных в процессе изготовления погрешностей решения 20 уравнений. Но основным ограничением описываемой методики является базирование на методах параксиальной оптики, без перехода к реальным преломляющим поверхностям.
Тем не менее, авторами данной статьи была выполнена некоторая работа по анализу уравнений [13], и в результате сравнительных расчетов, выполненных с помощью программы 2вшах, получены отличающиеся результаты, а именно: результаты расчета по уравнению дефокусировки [13, с. 16] от изменения положения второго подвижного компонента отличались больше чем на порядок от размера дефокусировки, полученного путем расчета с помощью 2вшах. Авторы не берутся судить об источнике ошибки, но стоит отметить, что некоторые выводы этой работы совпадают с выводами данной статьи (об этом ниже), так что, возможно, имеет место техническая опечатка в тексте статьи, а не в исследовании.
С целью сокращения трудозатрат на юстировку была разработана методика, которая использует одновременно два упомянутых ранее метода определения влияния подвижек отдельных компонентов на характеристики системы: значение изменения увеличения и размер дефокусировки телескопической системы в диоптриях (смещение плоскости изображения, перенесенное в пространство за окуляр телескопической системы).
Несмотря на широкий допуск на дефокусировку, согласно источнику [12, с. 14] - 4 дптр для панкратических прицелов, авторами, исходя из общетехнических требований к оптическим визуальным приборам, принят допустимый размер дефокусировки не более 0,5 дптр и допустимое значение изменения увеличения не более 5 %.
Юстировочный калькулятор
На основе разработанной методики, описание которой представлено далее, в Microsoft Excel был создан «Юстировочный калькулятор» каждой конкретной модели панкратической системы. «Юстировочный калькулятор» позволяет, на основе измеренных данных о расходимости (дефокусировке в диоптриях) за окуляром с помощью контрольно-юстировочного устройства, подобрать значения подвижек двух компонентов таким образом, чтобы компенсировать эту расходимость за окуляром и при этом выдержать требование к допуску на изменение максимального и минимального увеличения телескопической системы.
При создании «Юстировочного калькулятора» для определенного изделия в программе расчета оптических систем, в нашем случае - это Zemax, в оптической системе изделия задавались отклонения компонентов I и II (рис. 2), поочередно путем смещения компонентов вдоль оптической оси от номинального положения. Эта операция для каждого компонента проводилась независимо от другого компонента:
| Azio | = 0,1 мм; | Azno |= 0,1 мм, (1)
где Azio - отклонение от номинального положения компонента I, мм;
Azno - отклонение от номинального положения компонента II, мм.
Расчеты проводились в системах с реальными компонентами, а рис. 2 для упрощения показан в тонких компонентах. На этапе отработки методики «Юс-тировочного калькулятора» разных моделей панкратических прицелов, расчеты в программе Zemax проводились при различных значениях Azw и Azno, и по двум направлениям - по ходу луча и против. Анализ рассчитанных систем показывает, что при небольших (в ходе исследования проводились расчеты и при значениях на порядок выше) перемещениях компонентов I и II, направление перемещения оказывает слабое влияние на итоговый результат, но значительно замедляет расчет. Выявлено, что при расчете отдельных моделей прицелов с zoom 5 можно пренебречь нелинейностью функции, связывающей изменение увеличения и перемещения компонентов I и II, и функции, связывающей смещение второй плоскости промежуточного изображения y'' (дефокусировку) во всем диапазоне увеличений и перемещения компонентов I и II.
Рис. 2. Панкратическая оборачивающая система в тонких компонентах
Следующим шагом были получены данные с помощью программы Zemax: изменение фокусного расстояния совместной системы объектива 1, компонентов оборачивающей системы I, II и 3 (рис. 3) А/'j0 (мм) и дефокусировка
Axjjо (мм). Здесь i - индекс, равный номеру компонента I или II; j - индекс
крайних значений увеличений, может принимать значения: минимальное (min) или максимальное (max).
Были рассчитаны изменения значений крайних увеличений АГj 0 при перемещении компонентов по формуле:
АГу 0 =A/j 0/ /¿к, (2)
где /к - фокусное расстояние окуляра 5 (см. рис. 3), мм.
Определена дефокусировка Ах1дптр (мм) при расходимости лучей, равной 1 дптр, по формуле
Ах1дптр = /к2/1 000. (3)
Дефокусировка А у 0 при крайних увеличениях в пространстве изображений в диоптриях определялась по соотношению
Ау 0 = Ахij 0 / Ах1дптр . (4)
Как уже было указано ранее, при проверочных расчетах с большими значениями отклонений компонентов I и II нелинейность функций мало проявилась в случае юстировки панкратической оборачивающей системы с zoom 5 крат, поэтому суммарную дефокусировку Axj при крайних значениях увеличений (мм) можно рассчитать, используя принцип суперозиции частичных ошибок, применяемый в теории юстировки, с помощью следующего выражения:
Axj = 10(Axj о Azi + AxUj о Azii ), (5)
где Azi - смещение компонента I с целью компенсации погрешности изготовления, мм; Azn - смещение компонента II с целью компенсации погрешности изготовления, мм.
Суммарная дефокусировка A j (дптр) для крайних значений увеличений при смещении компонентов I и II рассчитывается по формуле
A j = 10(A ij о Azi + A iij oAz ii) . (6)
Изменение значений крайних увеличений АГ j (крат) при смещении компонентов I и II находилось с помощью выражения:
АГj = 10(АГ ij oAzi + АГ ну oAzn). (7)
Юстировка производится, когда контролируемые характеристики (далее -входные характеристики «Юстировочного калькулятора») прибора не соответствуют заявленным и выходят за границу допусков. Актуальными входными характеристиками «Юстировочного калькулятора» в рамках данной статьи являются значения отклонений крайних увеличений от номинальных АГвх j
и дефокусировка Авх j (дптр), вычисляемая во всем диапазоне увеличений.
В этом случае, с помощью «Юстировочного калькулятора» подбираются такие значения смещений и направления смещений компонентов I и II ( Azi и Azn), которые бы позволили скомпенсировать АГвх j и А вх j. Итоговые значения
отклонений увеличений и дефокусировки в диоптриях при крайних увеличениях после юстировки вычисляются по выражениям
АГВЫХ. j = АГ7 + АГВХ.J ; (8)
АВЫХ.J = АJ +АВХ.J . (9)
При этом максимальный диапазон дефокусировки за окуляром Авыгх должен оставаться в допуске (0,5 дптр по модулю):
АВЫХ -I АВЫХ.шах
■А
ВЫХшт
(10)
Среднее значение диапазона дефокусировки может быть смещено относительно первоначального нуля диоптрий. Поэтому было необходимо сместить окуляр на Ахок (мм) так, чтобы он при нулевой диоптрийной установке был наведен на среднее значение диапазона дефокусировки:
Ах,
_ /ок(АВЫХ.шах + АВЫХ.ш1п)
ок
2 000
(11)
В следующем разделе статьи представлен пример расчета по предложенной выше методике.
Пример применения
На примере панкратического прицела 4-20х56 (рис. 3), основные оптические технические характеристики которого: угловое увеличение от 4 до 20 крат; угловое поле от 5 до 1 градуса; световой диаметр объектива 56 мм; длина вдоль оптической оси 362 мм; масса оптических деталей 320 г - приводится способ расчета юстировочных подвижек.
Рис. 3. Оптическая принципиальная схема панкратического прицела 4-20х56: 1 - объектив; 2 - сетка; I - первый подвижный компонент оборачивающей панкрати-
и тт и и ' и и
ческой системы; II - второй подвижный компонент оборачивающей панкратической системы; 3 - третий неподвижный компонент оборачивающей системы; 4 - полевая диафрагма; 5 - окуляр; 6 - выходной зрачок; dl, ^ и dз - регулируемые расстояния
Юстировка прицела 4-20х56 осуществляется изменением расстояний dl, d2и dз, за счет перемещения компонентов I и II на АzI и А2П (см. рис. 3).
В рамках статьи в табл. 1 представлены рассчитанные изменения начальных коэффициентов только для случая смещения компонентов I и II на
0,1 мм в сторону окуляра. Фокусное расстояние окуляра прибора /0к равно 43,133 мм. Определяя смещение плоскости второго промежуточного изображения при дефокусировке, равной 1 дптр, согласно выражению (3) получаем: Лхцптр = 1,861 мм.
Таблица 1
Начальные коэффициенты прибора 4-20x56
Компонент I II
Характеристика / ] шт (4 крата) шах (20 крат) шт (4 крата) шах (20 крат)
Лху0, мм -0,119 -2,255 0,155 -0,450
Лij0, дптр 0,064 1,212 -0,084 0,242
мм 174,28 822,963 175,613 865,701
ЛГij0, крат -0,016 -1,309 0,015 -0,318
Анализируя влияние перемещения компонентов I и II, можно сделать вывод, что перемещение компонента I оказывает влияние в пять раз большее на значения начальных коэффициентов при максимальном увеличении по сравнению с влиянием перемещения компонента II, т. е. перемещение компонента I для системы является более чувствительным, чем перемещение компонента II. Этот вывод подтверждается и одним из утверждений в публикации [13].
В качестве примера, в табл. 2 представлены данные в случае, когда расходимость за окуляром конкретного образца юстируемого прибора составляла при увеличении 4 крата - минус 1,5 дптр, при увеличении 20 крат - 0 дптр.
Таблица 2
Входные и выходные данные «Юстировочного калькулятора»
Тип данных Характеристика / j шт (4 крата) шах (20 крат)
Входные (до юстировки) Расходимость за окуляром (Л вх j), дптр -1,5 0
Изменение увеличения от номинального значения ( ЛГвх j), крат 0 0
Выходные (после юстировки) Смещение плоскости второго промежуточного изображения (Лх j), мм -1,164 1,034
Смещение плоскости второго промежуточного изображения (Л j), дптр 0,625 -0,556
Изменение увеличения ( ЛГвых j), крат -0,115* 0,986*
(допуск ±5 %)
Окончание табл. 2
Тип данных Характеристика / у ш1п (4 крата) шах (20 крат)
Расходимость за окуляром (А вых у), дптр -0,875 -0,556
Диапазон дефокусировки ( Авых ), дптр (допуск ±0,5 дптр) -0,319*
Требуется смещение окуляра (Ахок), мм 1,33
Примечание. * - контрольные выходные характеристики.
Методом подбора значений смещения компонентов были достигнуты характеристики, представленные в табл. 2. Продолжительность процесса подбора составляет несколько минут. Для обеспечения юстировки прибора согласно табл. 2 необходимо выполнить: компонент I должен сместиться в сторону окуляра на 0,09 мм, а компонент II - на 0,68 мм в сторону объектива.
Используя начальные коэффициенты (см. табл. 1) прибора 4-20х56, была определена зависимость выходных характеристик системы. Были просчитаны более 4 тыс. вариантов решений, при которых диапазон изменения положения компонента I задавался от -0,1 до +0,1 мм (из-за большей чувствительности компонента), диапазон изменения положения компонента II от -1 до +1 мм, шаг изменения положения компонентов 0,01 мм. На рис. 4 показана зависимость изменения контрольных характеристик (изменения увеличения от дефокусировки) при смещении компонентов I и II. На основе анализа вариантов решений был сделан вывод, что только треть решений удовлетворяет условию допуска увеличения ±5 %, при этом максимальный размер дефокусировки, который можно скомпенсировать за счет изменения расстояний dl, d2 и dз, равен 1,7 дптр.
Если дефокусировка за окуляром в конкретном образце юстируемого изделия составила более 1,7 дптр, то с целью ее исправления можно предложить два выхода. Первый: если конструкция компонента I (так как согласно исследованиям [13], отклонение фокусного расстояния от номинального именно компонента I больше влияет на общее увеличение системы) позволяет регулировать его фокусное расстояние. Например, если компонент I состоит из двух линз с воздушным промежутком между ними, то за счет изменения воздушного промежутка можно откорректировать его общее фокусное расстояние [13, с. 17]. Этот способ влечет за собой усложнение конструкции и изготовления и требует еще на этапе расчета оптической системы заложить возможность дополнительной юстировочной операции. Кроме того, наличие дополнительного компонента снижает коэффициент пропускания системы из-за потерь на отражение на преломляющих поверхностях компонента. Второй выход - это использование селективной сборки при подборе оптимального сочетания фокусных расстояний подвижных компонентов I и II. Согласно одному из тезисов источника [11, с. 147, 148], при близких между собой значениях фокусных компонентов
(как, например, в рассматриваемой оптической системе изделия 4-20х56) селекцией подвижных компонентов с одинаковым отклонением фокусных расстояний можно исключить или значительно уменьшить влияние этих отклонений на дефокусировку.
Рис. 4. Зависимость выходных характеристик прибора 4-20х56
Дефокусировка на рис. 4 показана по модулю и уже учитывает допуск 0,5 дптр. Отмечается, что изменение минимального увеличения не выходит за допустимые значения во всем диапазоне заданных изменений положений компонентов I и II. С другой стороны, с позиции технического задания увеличение максимального увеличения, при сохранении минимального увеличения в допуске (т. е. увеличение перепада увеличения - zoom) несет скорее положительный характер, поэтому допуск на максимальное увеличение можно расширить в большую сторону. Исходя из этого, возможна компенсация дефокусировки до 5 дптр, пример которой представлен в табл. 3.
Таблица 3
Входные и выходные данные «Юстировочного калькулятора»
Тип данных Характеристика/ ] ш1п (4 крата) шах (20 крат)
Входные (до юстировки) А ВХ. у, дптр -4,9 0
АГВХ. у, крат 0 1,0
Выходные (после юстировки) Аху, мм -1,434 6,759
Ау, дптр 0,771 -3,633
АГВЫХ.у, крат -0,132* 3,491*
А ВЫХ. у, дптр -4,129 -3,633
АВЫХ, дптр (допуск: ±0,5 дптр) -0,496*
Ахок, мм 7,22
Примечание. * - контрольные выходные характеристики.
Чтобы выполнить юстировку прибора согласно данным табл. 3, необходимо компонент I сместить на 0,1 мм, а компонент II - на 1 мм в сторону объектива.
Оправа для юстировки подвижных компонентов
На рис. 5 предложен способ юстировки компонентов I и II с минимальными конструкторско-технологическими сложностями - отверстия в оправе компонентов.
Рис. 5. Оправа с отверстиями для юстировки
В оправах 4 (см. рис. 1 и рис. 5) подвижных компонентов I и II через определенный угол просверливается несколько отверстий Q (в этом частном случае - 9 шт.) вместо одного, необходимого для установки винта 1 (см. рис. 1), который перемещается по направляющим 5 (см. рис. 1) с целью обеспечения смены увеличения. Предпочтительным является шаг смещения вдоль оптической оси осей отверстий Q, равный 0,01 мм. Для повышения технологичности при изготовлении в конкретных производственных условиях в конструкции оправы задавался более широкий допуск ±0,03 мм (см. рис. 5) на расположение центров юстировочных отверстий, чтобы фактические значения с необходимым шагом обеспечивались за счет закона нормального распределения в пределах назначенного допуска.
Заключение
В заключение отмечается, что на основании нескольких проанализированных методик юстировки применительно к оборачивающим двухкомпонентным панкратическим системам телескопических приборов предложен наиболее предпочтительный и менее трудоемкий способ юстировки с помощью разработанной методики. Показана актуальность взаимодействия оптиков-расчетчиков и конструкторов на этапе разработки юстировочного процесса. Представлен результат расчета юстировочного процесса с помощью разработанной методики на примере панкратического прицела 4-20х56. Показано, что даже с учетом принятых допусков на увеличение и диапазон дефокусировки при смене увеличения, существующие ограничения можно расширить, используя совокупность различных подходов при юстировке. Показана актуальность селективной сборки. Предложена конструкция оправ подвижных компонентов оборачивающей системы с целью упрощения процесса юстировки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шехонин А. А. Домненко В. М., Гаврилина О. А. Методология проектирования оптических приборов : учеб. пособие. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2006. - 91 с.
2. Systematic design processes to improve the manufacturability of zoom lenses / Chir-Weei Chang, Chy-Lin Wang, Chuan-Chung Chang, et al. // Proc. SPIE 6342 : International Optical Design Conference 2006. - 2006. - Vol. 6342. - С. 634228-1-634228-8.
3. Волкова К. Д., Хацевич Т. Н. Оптические системы с переменными характеристиками // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Си-б0птика-2014»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 13-20.
4. Волкова К. Д., Дружкин Е. В., Хацевич Т. Н. Особенности оптического проектирования систем с дискретной сменой увеличения с учетом технологических возможностей отечественных производителей // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. Т. 3.- С. 191-201.
5. Крынин Л. И. Основы проектирования и юстировки объективов переменного фокусного расстояния : учеб. пособие - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2008. - 124 с.
6. Tolerance analysis of lenses with high zoom ratio / Chir-Weei Chang, Gung-Hsuan Ho, Chy-Lin Wang, Wei-Chung Chao, John D. Griffith // Proc. SPIE 6034 : ICO20: Optical Design and Fabrication - 2006. - Vol. 6034. - С. 60341P-1-60341P-7.
7. Бутримов И. С., Айрапетян В. С. Оптико-электронный комплекс для контроля положения линии визирования прицельных устройств в ходе стендовых испытаний // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 1 (33). - С. 124-138.
7
8. Хацевич Т. Н., Дружкин Е. А. Пат. 2501051 Российская Федерация, МПК G 02 B 23/10 , F 41 G 1/38. Способ изменения направления визирной оси в оптическом прицеле и прицел с переменным увеличением, реализующий способ; патентообладатели Хаце-вич Т. Н., Дружкин Е. В. - № 2012124196/28; заявл. 09.06.2012; опубл. 10.12.2013, Бюл. № 34.
9. Козерук А. С. Технология оптического приборостроения : учеб. пособие для студентов вузов по специальностям «Оптико-электронные и лазерные приборы и системы», «Механические и электромеханические приборы и аппараты» / кол. авт. Белорусский национальный технический университет, кафедра «Лазерная техника и технология». - Минск : БНТУ, 2016. - 504 с.
10. Yoder, Paul R. Opto-mechanical systems design. - 3rd ed. - New York : CRC Press Taylor & Francis Group, 2006 - 835 с.
11. Пахомов И. И. Панкратические системы. - М. : Машиностроение, 1976. - 160 с.
12. Заварзин В. И. Оптический прицел переменного увеличения // Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. «Приборостроение». - 2009. - № 2. - С. 10-21.
13. Полякова И. П., Полтырева Е. С. Влияние ошибок изготовления панкратической оборачивающей системы на дефокусировку и изменение линейного увеличения // Оптико-механическая промышленность. - 1975. - № 9. - С. 15-17.
14. Стефанский М. С., Егоров Г. В. Юстировка систем с переменным фокусным расстоянием // Оптико-механическая промышленность. - 1968. - № 11. - С. 27-33.
15. Бурбаев А. М. Методика юстировки трехкомпонентной афокальной панкратической системы с механической компенсацией // Изв. вузов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50, № 4. -С. 20-23.
16. Moon J., Park S. Y. Calibration of defocus blur for zoom lenses // Optical Engineering. -2007. - Vol. 46 (12). - С. 127005-1-127005-7.
Получено 07.07.2017
О Т. Н. Хацевич, К. Д. Волкова, Е. В. Дружкин, 2017
OPTICAL DESIGN FOR ADJUSTMENT OF TELESCOPIC ZOOM SYSTEMS
Tatyana N. Khatsevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Professor, Department of Nanosystems and Optical Devices, phone: (913)742-34-93, e-mail: [email protected]
Ksenia D. Volkova
Optical Design Office Co Ltd, 630074, Russia, Novosibirsk, 200 Red avenue, of. 310, Design Engineer, phone: (923)240-77-94, e-mail: [email protected]
Yevgeny V. Druzhkin
LUGGAR Co Ltd. 630074, 200 Red avenue, of. 306, Novosibirsk, Russia, General Manager, phone: (962)829-63-39, e-mail: [email protected]
The importance and complexity of the adjustment phase in the design and manufacturing of optical systems with variable magnification is demonstrated. The article describes the limitations and advantages of the existing adjustment methods for zoom systems with two moving components. The article provides the description and outlines disadvantages and advantages of the existing adjustment methods for zoom systems with two moving components. The author's method for adjusting the telescopic devices with optical zoom relay systems is proposed. The actuality of the optical design for creating the alignment process is proved. Article describes the creation of an "Adjustment Calculator" by using free-ware and standard software. The results of the created alignment process for the optical zoom riflescope are discussed. The conclusion is made about the effect for each moving component of the relay system on the change in the magnification and defocusing zoom system as a whole. The actuality of the selective assembly for zoom riflescopes is shown. A construction of frame with mounting moving optical lens to simplify the alignment process is proposed.
Key words: variable magnification, zoom, optical zoom sight, zoom riflescope, optical telescopic system, afocal system, optical zoom relay system with two moving components, zoom system, alignment of optical devices, mounting lens, optical design, selective assembly, assembly.
REFERENCES
1. Shehonin, A. A., Domnenko, V. M., & Gavrilina, O. A. (2006). Metodologija proektirovanija opticheskih priborov [The methodology of designing optical devices]. Saint Petersburg: ITMO University [in Russian].
2. Chir-Weei Chang, Chy-Lin Wang, Chuan-Chung Chang, et al. (2006). Systematic design processes to improve the manufacturability of zoom lenses. Proceedings of SPIE 6342: International Optical Design Conference 2006, Vol. 6342, 634228-1-634228-8. doi: 10.1117/12.692249.
3. Volkova, K. D., & Khatsevich, T. N. (2014). Optical systems with variable characteristics. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Sib0ptika-2014 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 1. Sib0ptics-2014] (pp. 13-20). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
4. Volkova, K. D., Druzhkin, E. V., & Khatsevich, T. N. (2015). Specialty optical design of discrete systems according to technological possibilities of domestic producers. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2015: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 3. SibOptika-2015 [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2015: International Scientific Conference: Vol. 3. Sib0ptics-2015] (pp. 191-200). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
5. Krynin, L. I. (2008). Osnovy proektirovanija i justirovki ob'ektivov peremennogo fokusnogo rasstojanija [Basics of designing and adjusting lenses of variable focal length]. Saint Petersburg: ITMO University [in Russian].
6. Chir-Weei Chang, Gung-Hsuan Ho, Chy-Lin Wang, Wei-Chung Chao, & John D. Griffith (2016). Tolerance analysis of lenses with high zoom ratio. Proceedings of SPIE 6034, ICO20: Optical Design and Fabrication, Vol. 6034, 60341P-1-60341P-7. doi:10.1117/12.668163.
7. Butrimov, I. S., & Ajrapetjan, V. S. (2016). Optical electronic complex for control of checking lines' position of sighting unit during stand tests. Vestnik SGUGiT [Vesnik SSUGT], 1(33), 124-138 [in Russian].
8. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2012). Patent RFNo 2501051. Novosibirsk: IP Russian Federation.
9. Kozeruk, A. S. (2016). Tehnologija opticheskogo priborostroenija [Optical Instrument Technology]. Minsk: BNTU [in Russian].
10. Yoder, P. R. (2006). Opto-mechanical systems design. New York: CRC Press Taylor & Francis Group.
11. Pahomov, I. I. (1976). Pankraticheskie sistemy [Zoom systems]. Moscow: Mashinostroenie [in Russian].
12. Zavarzin, V. I. (2009). Optical zoom sight. Vestnik MGTU of im. Baumana [Vestnik MSTU], 2, 10-21 [in Russian].
13. Poljakova, I. P., & Poltyreva, E. S. (1975). The effect of errors in manufacturing a zoom reley system on defocusing and changing the linear magnification. Optiko-mehanicheskaja promyshlennost' [Optical and Mechanical Industry], 9, 15-17 [in Russian].
14. Stefanskij, M. S., & Egorov, G. V. (1968). Adjustment of systems with variable focal length. Optiko-mehanicheskaja promyshlennost' [Optical and Mechanical Industry], 91, 27-33 [in Russian].
15. Burbaev, A. M. (2007). The method of adjustment the three-component afocal zoom system with mechanical compensation. Izvestiya vuzov. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering], 50(4), 20-23 [in Russian].
16. Moon J., & Park, S. Y. (2007). Calibration of defocus blur for zoom lenses. Optical Engineering, 46(12), 127005-1-127005-7. doi: 10.1117/1.2823155.
Received 07.07.2017
© T. N. Khatsevich, K. D. Volkova, E. V. Druzhkin, 2017
