CC BY
39
УДК 535.8
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ
Елена Сергеевна Жимулева
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-59-40, e-mail: slena@tdisie.nsc.ru
Петр Сергеевич Завьялов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)306-59-40, e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru
Максим Сергеевич Кравченко
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, техник, тел. (383)306-59-40, e-mail: max@tdisie.nsc.ru
В статье описан ряд разработанных для метода теневой проекции объективов, телецентрических в пространстве предметов, с низкой дисторсией и высоким разрешением. Описана методология контроля качества изготовления и сборки этих объективов. Приведено сравнение трех объективов.
Ключевые слова: телецентрический объектив, оптическое конструирование, контроль качества объективов, метод оптической теневой проекции.
THE DESIGN AND INVESTIGATION OF TELECENTRIC OBJECTIVES
Elena S. Zhimuleva
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., junior researcher, tel. (383)306-59-40, e-mail: slena@tdisie.nsc.ru
Peter S. Zavyalov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Head of the Laboratory, tel. (383)306-59-40, e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru
Maxim S. Kravchenko
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., technician, tel. (383)306-59-40, e-mail: max@tdisie.nsc.ru
The series of objectives developed for the shadow projection optical method is described. Objectives are telecentric in the object space. They have distortion and high resolution. Methodology for quality inspection of telecentric objectives production is described. The comparison of three objectives is presented.
Key words: telecentric objective, optical design, objective quality inspection, shadow optical method.
В современном промышленном производстве необходимым этапом является контроль параметров готовой продукции. Задача создания систем для оперативных и неразрушающих измерений линейных размеров, толщин, глубин, диаметров, соосности и микронеровностей поверхности изготовленных изделий, или так называемый геометрический контроль, является актуальной и важнейшей для многих производств.
На сегодняшний день существует широкий парк контрольно-измерительных систем и средств для такого контроля [1-3]. Основными требованиями к таким системам являются возможность контроля геометрических параметров изделий сложной формы, высокие точность (погрешность порядка единиц микрометров), быстродействие (сотни измерений в секунду) и надежность.
Перспективными являются бесконтактные методы размерного неразруша-ющего контроля, которые, как правило, обладают большей производительностью и точностью. Эти методы значительно снижают фактор субъективности, сильно выраженный при контактных измерениях. Кроме того, бесконтактные методы позволяют уйти от необходимости механического контакта измерительной части прибора с контролируемым изделием, что повышает износоустойчивость прибора и расширяет границы его применения.
В последнее время для целей размерного контроля активно создаются измерительные системы, основанные на методе теневой проекции. Они позволяют определять геометрические параметры изделия сложной формы, отличаются простотой реализации, обладают потенциально высокими точностью (погрешность порядка десятка микрометров в диапазоне измерения ~20 мм и удалении измерителя от контролируемого объекта ~250 мм) и быстродействием (до 1000 измерений в секунду). Суть теневого метода состоит в освещении контролируемого объекта световым пучком с плоским волновым фронтом и регистрации в проходящем свете его теневого изображения. Оптическая схема теневой проекционной системы представлена на рис. 1.
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Оптическая схема теневой проекционной системы:
1 - источник излучения; 2 - коллиматор; 3 - объект; 4, 6 - телецентрический объектив; 5 - апертурная диафрагма; 7 - фотоприемная матрица
Контролируемый объект с диаметром Б освещается квазипараллельным пучком света. В плоскости многоэлементного фотоприемника посредством телецентрического в пространстве предметов объектива формируется теневое изображение объекта. Выходной сигнал с фотоприемника оцифровывается. По положению фронтов сигнала определяются диаметр и положение оси контролируемого объекта.
Одним из основных компонентов теневой оптической системы, влияющих на точность определения размеров объекта, является объектив, проецирующий теневое изображение объекта на фотоприемную матрицу. Из-за протяженности объекта вдоль оптической оси и невозможности точного позиционирования измеряемого изделия, к оптической проецирующей системам предъявляются требования большой глубины фокусировки. Для того чтобы выполнить это требование необходимо применение специализированных объективов - телецентрических.
В системах с телецентрическим ходом лучей в пространстве предметов (входной зрачок находится на бесконечности) перемещение объекта вдоль оси минимально влияет на размер изображения. Кроме того, для задачи размерного контроля необходимо минимизировать кривизну поля и дисторсию, которые искажают изображение изделия по полю и снижают точность измерения. Все эти требования выполняются при использовании телецентрического объектива в пространстве предметов. Такая оптическая система менее чувствительна к расфокусировке изделия - глубина резкости объективов может достигать десятков миллиметров.
Телецентрический объектив в пространстве изображений обеспечивает падение светового потока на фотоприемник под прямым углом на всей площади фотоприемника, что сводит к минимуму ошибку угла зрения или изменения увеличения, обеспечивая высокое разрешение и контраст при минимальной дистор-сии. Телецентричность в пространстве изображений делает оптическую систему менее чувствительной к перемещению матрицы относительно проецирующей оптики. Поэтому весьма актуальной является задача проектирования, изготовления, а также исследования телецентрических в пространстве предметов и би-телецентрических объективов для применения в системах контроля геометрических размеров изделий применительно к промышленному производству.
Для системы теневого контроля наиболее важно коррегирование аберраций дисторсии, комы и хроматизма увеличения [4], так как эти аберрации несимметрично перераспределяют энергию в пятне рассеяния точки относительно главного луча, что может привести к некорректному определению границ объекта.
Авторами был разработан и изготовлен ряд телецентрических объективов с различными полями зрения в зависимости от размеров исследуемых объектов (диапазон диаметров поля зрения 50-250 мм). Оптическая схема одного из объективов, телецентричного в пространстве предметов, представлена на рис. 2.
Разработка объективов велась в программном пакете 7ЕМЛХ на основе объектива, представленного в [5]. Все разработанные объективы обладают низкой дисторсией (менее 0,05 %) в сочетании с высокой разрешающей способностью по всему полю зрения объектива.
плоскость предметов
Рис. 2. Оптическая схема телецентричного в пространстве предметов объектива:
1-7 - линзы; 8 - апертурная диафрагма
При производстве объективов возникают дополнительные ошибки, обусловленные несовершенством изготовления линз и последующей сборки. Это приводит к осенесимметричному распределению аберраций по полю зрения.
Авторами была разработана методология и создана схема определения реальных аберраций телецентрических объективов после изготовления. Фотография стенда контроля объективов представлена на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид стенда для тестирования телецентрических объективов:
1 - источник освещения; 2 - коллиматор; 3 - мира на линейной подвижке; 4 - телецентрический объектив; 5 - фотоприемная матрица
Суть метода контроля оптических характеристик объектива заключается в регистрации тенеграммы точечной миры на рабочем расстоянии и на заданных границах глубины фокусировки с последующей обработкой с помощью программного обеспечения. Точечная мира представляет собой стеклянную пластинку с нанесенным непрозрачным слоем хрома, на которую методом пря-
мой лазерной записи с высокой точностью (менее 1 мкм) нанесен рисунок в виде малых кружков заданного диаметра с определенным шагом между ними.
Предложенный способ позволяет на основе трех полученных снимков миры определить такие аберрации как: дисторсию поля на рабочем расстоянии, изменение дисторсии вдоль оптической оси в пределах глубины фокусировки, телецентричность, увеличение, среднее разрешение по полю, а также частотно-контрастную характеристику объектива в различных точках по полю.
Авторами было проведено исследование и сравнение трех телецентрических объективов, включая импортный би-телецентрический объектив Thorlabs. Исследования показали, что рассчитанные авторами объективы обладают большей телецентричностью, меньшей дисторсией, большим полем зрения, однако объектив Thorlabs рассчитан на больший спектральный диапазон и обладает более высоким разрешением. На рис. 4 показаны измеренные картины дисторсионных искажений для трех объективов.
а) б) в)
Рис. 4. Графики дисторсии телецентрических объективов: а, б) разработанных авторами; в) импортного Thorlabs
Результатами исследования является апробация методологии определения качества изготовления и сборки телецентрических объективов, а также их сравнительная характеристика, позволяющая сделать вывод о наибольшей пригодности каждого из объективов для той или иной системы контроля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев В. В. (ред.) Неразрушающий контроль и диагностика: справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2003. - 656 с.
2. Волосов С. С., Педь Е. И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении : учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М. : Изд-во стандартов, 1975. - 336 с.
3. Герасимов В. Г., Клюев В. В., Шатерников В. Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. - М. : Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.
4. Волков Д. Ю. Разработка и исследование объективов с телецентрическим ходом лучей : автореф. дис. ... к.т.н. - СПб., 2004. - 20 с.
5. Оптико-электронный контроль керамических колец / А. В. Белобородов, А. А. Гущина, П. С. Завьялов, Е. С. Сенченко, Л. В. Финогенов, Ю. В. Чугуй // Датчики и системы. -2012. - Т. 4. - С. 25-29.
© Е. C. Жимулева, П. С. Завьялов, М. С. Кравченко, 2017 124
