РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОГО МИКРОСКОПА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

А л Л<

УДК 681.72

РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОГО МИКРОСКОПА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

DEVELOPMENT OF A PORTABLE MICROSCOPE TO DETERMINE THE SIZE OF DEFECTS IN OPTICAL PARTS

© Орлов Иван Александрович

Ivan A. Orlov инженер-конструктор, АО ЛЗОС (г. Лыткарино). construction engineer, AO LZOS, (Lytkarino). И orlovivan199@gmail.com

© Симонов Максим Андреевич

Maxim A. Simonov кандидат технических наук, заместитель главного конструктора, АО ЛЗОС, (г. Лыткарино).

PhD(Technical), construction engineer, AO LZOS (Lytkarino).

И maxikrylia@yandex.ru

Аннотация. В работе рассматриваются проблемы, связанные с определением размеров дефектов оптических деталей. Приводятся результаты разработки портативного микроскопа, посредством которого возможно определить размер дефекта оптического стекла IV класса чистоты. Уникальность портативного микроскопа была достигнута вынесением предметной плоскости за пределы механических деталей микроскопа, применением в качестве материала основания мягкого пластика, расположением источников света в наклонных гнёздах портативного микроскопа. Также был рассмотрен состав портативного микроскопа для определения размеров дефектов оптических деталей.

Ключевые слова: микроскоп, оперативность, пузырность, контроль, измерение, просмотр, оптическаядеталь, заготовка.

Abstract The paper considers the problems associated with determining the defect size of optical parts. The results of development of a portable microscope by means of which it is possible to determine the defect size of optical glass of purity class IV are presented. The uniqueness of the portable microscope has been achieved by placing the objective plane outside the mechanical parts of the microscope, by using soft plastic as a base material, by locating the light sources in inclined sockets of the portable microscope. A composition of a portable microscope to measure defects in optical parts was also considered.

Key words: microscope, operability, bubbling, control, measurement, viewing, optical part, workpiece.

Введение

В зависимости от области применения, положения в приборе каждой оптической детали необходимо установить класс чистоты поверхности. Класс чистоты поверхности - требования к количеству и размеру дефектов, расположенных в зоне, ограниченной

окружностью светового диаметра, и, как правило, обозначаются в таблице или технических требованиях на поле чертежа.

Необходимость определения класса чистоты обосновывается тем, что это способствует решению множества вопросов. То есть, опре-

%

SIS4Ü'

делив класс чистоты поверхности, появляется возможность:

- установления норм на уже эффективно исследованную поверхность;

- определения группы поверхностей, которые имеют общие свойства, а также рекомендовать их к применению;

- обобщения методов описания поверхностей.

Следует выделить, что при определении класса чистоты поверхности немаловажным является аспект, позволяющий совершенствовать и разрабатывать технологические процессы, связанные с изготовлением типовых поверхностей.

Отметим, что существуют определённые классы чистоты. Контроль качества оптической поверхности стекла на соответствие классам чистоты осуществляется в соответствии с ГОСТ 11141-84 при направленном или отражённом свете на тёмном фоне.

Контроль качества оптического стекла производится в соответствии с ГОСТ 3522-81 и подразумевает просмотр оптических материалов при прямом или боковом освещении при этом диаметр пузыря определяется визуально сравнением диаметра пузыря со шкалой сетки, расположенной в окуляре, а количество пузырей определяется их подсчётом, начиная с края оптической детали.

Постановка задачи

Для определения чистоты поверхности необходимы точные и качественные устройства, посредством использования которых возможно достоверно определить качество оптической детали.

Анализируя устройства, представленные на рынке, было принято решение о разработке прибора [1], с помощью которого будет возможно реализовать контроль глубинных дефектов, и использование которого поможет:

- снижению риска внесения новых дефектов на контролируемую поверхность в ходе оперативного контроля;

- обеспечению объективности контроля дефектов IV класса чистоты;

- обеспечению контрастности изображения.

Техническое решение задачи

Требование контроля глубинных дефектов в приборе [1] реализуется перемещением вдоль оптической оси тубуса с расположенными в нём последовательно и соосно окуляром и объективом. Линейное перемещение обеспечивается вращением гайки с окулярной многозаходной резьбой, которая установлена в зацеплении с резьбовой частью тубуса. Для удобства контроля устранено вращение тубуса с помощью шпонки, закреплённой на объективной части тубуса, и её шпоночного паза, расположенном на стакане, внутри которого осуществляется движение тубуса.

Требование снижения риска внесения новых дефектов на контролируемую поверх-

ность обеспечивается выбранным материалом основания портативного микроскопа, который по своей структуре менее твёрдый, чем опорная поверхность контролируемой оптической детали. Материал выбран исходя из значений твёрдости, указанных в таблице Бринелля. В данной работе выбран материал основания: полиамид. Значения твёрдости стекла близки к 500 HB, а полиамида около 130 HB.

Обеспечение объективности контроля дефектов IV осуществляется за счёт цены деления сетки, которая должна быть менее максимального значения размера оптического дефекта в пределах требуемого класса чистоты. Расчёт цены деления шкалы сетки окуляра осуществлён в следующем разделе настоящей работы.

Прежде, чем рассмотреть, каким образом обеспечивается последнее требование, связанное с контрастностью изображение, необходимо дать определение этому понятию.

Контрастность изображения представляет собой характеристическую разницу в разных частях изображения. Способность оптической системы или фотографического материала воспроизводить данную разницу. Именно контрастность оказывает серьёзное влияние на качество изображение, поэтому это достаточно важный аспект, который необходимо обеспечить.

Контрастность изображения достигается применением трёх светоизлучающих диодов типа АЛ307 жёлтого оттенка свечения (Я = 590 нм) и углом светового излучения 100°, которые установлены так, что обеспечивается равномерная засветка области исследования в соответствии с рисунком 1.

Оптическая схема портативного микроскопа

При конструировании оптической схемы микроскопа [1] в соответствии с рисунком 2 были подобраны такие оптические элементы, кото-

Рис.1. Освещение в области исследования: 1 - светодиоды; 2 - область исследования

рые на данный момент находятся в серийном производстве из экономических соображений и удовлетворяют требованиям оперативного контроля оптических деталей и заготовок по полю и увеличению.

Так в качестве окуляра был выбран окуляр, применяющийся в микроскопе биологическом стереоскопическом и имеющий в своём составе сетку с частотой штрихов 0,1 мм, коллектив

7

;1 I

I

________1

Рис. 2. Оптическая схема портативного микроскопа: 1 - окуляр; 2 -объектив

и глазную линзу. Увеличение окуляра составляет 8 крат.

В качестве компонентов объектива были выбраны две склейки с фокусными расстояниями / = 28,73 мм и / = 114,92 мм.

Склейки линз состоят из двух линз разных марок стекла (крон и флинт), что обеспечивает снижение ахроматических аберраций за счёт компенсации дисперсии, что позволяет снизить требования к точности изготовления склеиваемых поверхностей и облегчает монтаж.

Следующим этапом является определение увеличения.

Отношение фокусных расстояний склеек объектива определяет увеличение объектива согласно формуле 1 [2]:

гб=

об • '

2

/

(1)

где /\ - фокусное расстояние склейки, расположенной со стороны окуляра;

/ - фокусное расстояние склейки, расположенной со стороны предметной плоскости.

В данном конкретном случае увеличение объектива равно 4 крат.

Общее увеличение портативного микроскопа определяется произведением увеличения объектива г на увеличение окуляра г в соот-

об ^ ^ ^ Г ок

ветствии с формулой 2 [2]:

Г =ГбхГ

сист. об о!

(2)

В данном конкретном случае увеличение системы составляет 32 крат.

Произведём расчёт цены деления шкалы сетки окуляра с учётом влияния увеличения объектива. Цена деления шкалы сетки окуляра в портативном микроскопе определяется как частное от деления цены деления шкалы сетки окуляра без объектива на увеличение объектива. Таким образом, цена деления шкалы сетки окуляра портативного микроскопа составляет 0,025 мм. Полученная цена деления является достаточной для обеспечения контроля оптических дефектов не менее IV класса чистоты. Пример контроля оптического стекла в соответствии с рисунком 3.

Таким образом, рассмотрена оптическая схема разработанного портативного микроскопа [1], приведены расчёты увеличения объектива и оптической системы в целом и цены деления, приведены фотографии оптического дефекта в стекле.

а) б)

Рис. З.Пузырь размером 0,1 мм:

а) - в оптическом стекле;

б) - в оптическом стекле через портативный микроскоп

Состав разработанного портативного микроскопа

Портативный микроскоп [1], в соответствии с рисунком 4, содержит окуляр 1 с сеткой 2 и объектив 3, расположенными в тубусе 4, который перемещается вдоль стакана 5, обеспечивая перефокусировку на длину до 20 мм с помощью вращения гайки 6. В наклонных гнёздах стакана установлены три светодиода 7, обеспечивающие контрастность изображения, равномерно освещая область исследования. Питание светодиодов осуществляется посредством встроенного в стакан аккумулятора. Опорная плоскость стакана выполнена таким образом, что нижняя его часть имеет три точечных выступа из мягкого пластика для обеспечения безопасного контакта с поверхностью оптической детали. На стакан устанавливается крышка 8, на которой располагается кнопка (на рисунке не показана) для включения или выключения светодиодов, а также разъём (на рисунке не показан) для подзарядки аккумулятора.

Внешний вид портативного микроскопа первой модификации показан на рисунке 5.

SIS**'

Рис. 4. Разработанный портативный микроскоп: 1 - окуляр; 2 - сетка; 3 -объектив; 4 - тубус; 5 - стакан; 6 - гайка; 7 - светодиоды; 8 - крышка

Рис. 5. Внешний вид портативного микроскопа первой модификации

Заключение

В настоящее время портативный микроскоп первой модификации уже сократил количество брака выпускаемой продукции на ранних стадиях производства оптических деталей, разрабатывается специальное приложение для портативных устройств для оперативного пересчёта величины глубинных дефектов с учётом

марки стекла и радиуса кривизны поверхности оптической детали.

Материалы поступили в редакцию 23.03.2022 г.

Библиографический список (References)

1. Патент №207250 Российская Федерация, МПК G02B 21/06 (01.2006). Портативный микроскоп: № 2021118982 : заявлено 28.06.2021 : опубликовано 20.10.2021/ Понин О. В., Галявов И. Р., Симонов М. А., Фокин М. И., Орлов И. А. ; заявитель АО ЛЗОС. - Текст : непосредственный.

2. Мальцев, М. Д. Прикладная оптика и оптические измерения / М. Д. Мальцев, Г. А. Каракулина.

- М. : Машиностроение, 1968. - 470 с. - Текст : непосредственный.

3. Креопалова, Г. В. Оптические измерения / Г. В. Креопалова, Н. Л. Лазарева, Д. Т. Пуряев.

- М. : Машиностроение, 1987. - 263 с. - Текст : непосредственный.

1. Patent №207250 Rossijskaja Federacija, MPK G02B 21/06 (01.2006). Portativnyj mikroskop: № 2021118982: zajavleno 28.06.2021: opublikovano 20.10.2021/Ponin O. V., Galjavov I. R., Simonov M. A., Fokin M. I., Orlov I. A.; zajavitel' AO LZOS [Patent No. 207250 Russian Federation, IPC G02B 21/06 (01.2006). Portable microscope: No. 2021118982 : announced 28.06.2021 : published 20.10.2021/ Ponin O. V., Galyavov I. R., Simonov M. A., Fokin M. I., Orlov I. A. ; applicant JSC LZOS.].

2. Mal'cev, M. D., Karakulina, G. A. (1968). Prikladnaja optika i opticheskie izmerenija [Applied optics and optical measurements]. Moscow. Mashinostroenie. 470 p.

3. Kreopalova, G. V., Lazareva, N. L., Purjaev, D. T. (1987). Opticheskie izmerenija [Optical measurements]. Moscow. Mashinostroenie 263 p.