Оборачивающей системой

Цель работы: изучение на конкретном примере требований к сборке зрительной трубы и за счет чего выполняются эти требования как при изготовлении ее деталей (оптических и механических), так и при сборке; освоение на практике методики выполнения некоторых основных юстировочных операций, характерных для юстировки оп­тических систем зрительных труб.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Зрительные трубы используются для наблюдения далеких предметов, не различимых с достаточной подробностью невооруженным глазом. Например, для наблюдения искусственных спутников земли, для рассматривания мишеней при стрельбе в тире и других целей. Главное требование к таким трубам состоит в том, чтобы они давали высокого качества увеличенное изображение наблюдаемых далеких объектов.

Высокое качество изображения при сборке трубы обеспечивается:

1. центрировкой всех оптических элементов трубы;

2. установкой коллектива в общих фокальных плоскостях компонентов системы для уменьшения влияния параллакса;

3. обеспечением телескопичности трубы, т.е. установкой ее нулевого положения.

Сборочный процесс зрительных труб с выполнением названных условий определяется конструкцией труб и точностными требованиями.

На рис.1 изображена оптическая схема зрительной трубы с линзовой оборачивающей системой.

Данная зрительная труба конструктивно выполнена из двух основных узлов: корпуса трубы 1 с установленным в ней объективом 2 и выдвижного тубуса 3 с коллективной линзой ₁, линзами оборачивающей системы ₂ и ₃ и окуляром 4.

Для того чтобы данная оптическая система обеспечивала телескопический ход лучей (сохранение параллельности пучка лучей на выходе из окуляра при входящем в объектив параллельном пучке), и наблюдение прямого (а не перевернутого) изображения, оптические элементы системы должны быть расположены друг относительно друга следующим образом:

1. задняя фокальная плоскость объектива 2 должна быть совмещена с передней фокальной плоскостью системы, состоящей из линз оборачивающей системы ₂, ₃ и окуляра (т.е. передней фокальной плоскостью первой линзы А₂ оборачивающей системы);

2. плоская поверхность коллективной линзы ₁ должна быть совмещена с передней фокальной плоскостью первой линзы ₂ оборачивающей системы;

3. задняя фокальная плоскость второй линзы оборачивающей системы ₃ должна быть совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра 4.

При таком взаимном расположении элементов оптической системы параллельный пучок лучей после прохождения объектива и первой линзы оборачивающей системы ₂снова становится параллельным, и после прохождения второй линзы оборачивающей системы ₃ и окуляра выходит из окуляра также параллельным (как показан ход лучей на схеме).

Двухлинзовый склеенный объектив закреплен в расточке корпуса с помощью резьбового кольца. Линзы ₁, ₂, ₃ в выдвижном тубусе образуют конструкцию насыпного типа с промежуточными оправами и закреплены в осевом направлении установленным на резьбе окуляром 4.

Центрирование объектива относительно корпуса обеспечивается за счет центрирования объектива при его изготовлении, а также за счет допуска на величину зазора между диаметрами посадочного места под объектив и самого объектива.

Центрирование линз ₁, ₂, ₃ относительно друг друга обеспечивается допуском на погрешность центрирования этих линз при закреплении их в оправах, а также допуском на величину зазора между наружными диаметрами оправ линз и внутренним диаметром посадочной цилиндрической поверхности выдвижного тубуса.

Центрирование оптической системы окуляра относительно оптической системы линз ₁, ₂, ₃, обеспечивается допуском на несоосность резьбовой поверхности окулярас оптической осью окуляра, а также допуском на несоосность резьбо­вой поверхности (под окуляр) выдвижного тубуса с осью посадочной цилиндрической поверхности под оправы _{1 2}, ₃.

Точность центрирования объектива 2 и оптической системы ₁+ ₂+ ₃ + окуляр относительно друг друга определяется точностью совмещения геометрической оси корпуса 1 с геометрической осью выдвижного тубуса 3 при их сочленении.

Расположение линз ₁, ₂, ₃ и окуляра относительно друг друга как указано на схеме и в пунктах 2 и 3 обеспечивается за счет выдерживания соответствующих воздушных промежутков между линзами ₁, ₂, ₃ и окуляром, т.е. за счет требуемых длин промежуточных колец l ₁и l ₂.

При правильной величине l ₁(и требуемом положении объектива относительно ₁), в соответствии с оптической схемой, между ₂ и ₃ будет идти параллельный пучок лучей. Поэтому оптическая схема будет не чувствительна к отклонениям величины l ₂, т.к. при изменении l ₂ход лучей изменяться не будет.

Тубус, в котором устанавливаются линзы ₁, ₂, ₃ и окуляр выполнен выдвижным с целью уменьшения габаритов зрительной трубы в нерабочем состоянии. В рабочем состоянии, когда объектив и оборачивающая система с окуляром должны быть расположены относительно друг друга как указано на схеме и в пункте 1, тубус выдвигается (и фиксируется в этом положении) на соответствующую величину.

Величина выдвижения тубуса определяется положением упора-ограничителя выдвижения, который выполняет и функцию фиксатора.

При выполнении лабораторной работы упор-фиксатор тубуса отсутствует.

В данной лабораторной работе необходимо определить экспериментальным путем длины промежуточных втулок l ₁и l ₃, а также требуемое положение выдвижного тубуса для обеспечения требуемого хода лучей в оптической системе зрительной трубы.

Имеется набор промежуточных втулок 1 из 4 штук (отличающихся друг от друга по длине); набор промежуточных втулок 3 из 5 штук (также отличающихся друг от друга по длине). Из этих наборов необходимо подобрать втулки l ₁и l ₂требуемой длины.

ПОДБОР ВТУЛКИ l ₃.

Из схемы (рис.1) видно, что линза ₃ и окуляр при совмещении их фокальных плоскостей (пункт 3) должны образовывать телескопическую систему (в линзу ₃ входит параллельный пучок и из окуляра также выходит параллельный пучок). Т.е. длина втулки l ₃

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими эксплуатационными параметрами характеризуется лазерный пучок?

2. Когда лазерный пучок можно считать гомоцентрическим?

3. Как увеличить диаметр и уменьшить расходимость лазерного пучка?

4. Для чего в оптическую систему расширения и коллимации лазерного пучка вводят точечную диафрагму?

5. Каковы основные требования к взаимоположению лазера и элементов системы преобразования лазерного пучка?

6. Какие юстировочные подвижки обеспечиваются конструкцией крепления лазера и узлов системы преобразования лазерного пучка и для чего они необходимы?

7. Что используется для контроля при выставке лазера и элементов системы преобразования лазерного пучка?

8. Как называется метод выставки элементов системы преобразования лазерного пучка?

9. По каким признакам контролируются правильные положения лазера, короткофокусного и длиннофокусного компонентов и точечной диафрагмы?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соболев Н.Н. Газовые лазеры и их применение. М. 1977.

2. Ельников Н.Т. и др. Сборка и юстировка оптико-механических приборов. М. Машиностроение. 1974.

3. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л. Машиностроение. 1982.

4. Оптический журнал. 1999 №2.

нарушение юстировки, достигнутой на предшествующих этапах, то необходимо путем последовательных приближений устранить эти нарушения одновременно в выполнением текущей юстировки.

4. Установить объектив на расстоянии примерно равным его фокусному расстоянию от точечной диафрагмы. Пучок за объективом будет иметь гораздо меньшую расходимость, чем перед ним. Центр пятна излучения на экране не должен быть смещен с перекрестия. При наличии смещений их необходимо устранить небольшими подвижками объектива по высоте (13) или вокруг поперечных осей (14,15).

Перемещениями (12) объектива вдоль оси добиться минимальной разности диаметров пятен на экране при двух крайних положениях экрана по оси скамьи.

2. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

1. По заданному преподавателем диаметру пучка, который необходимо получить на выходе, подобрать из перечня необходимый микрообъектив и объектив, из которых необходимо будет составить и отъюстировать систему расширения и коллимации пучка. Определить при выбранных элементах расходимость пучка на выходе системы.

(см. ф-лы 9,10,11).

Пучок лазера имеет следующие параметры:

2. Определить диаметр точечной диафрагмы, необходимо для пространственной фильтрации пучка (см. ф-лу 13).

3. Выполнить юстировку системы, составленной из подобранных элементов, согласно приведенной выше методике.

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Рисунки и зависимости, поясняющие особенности пространственной структуры лазерных пучков (рис. 1, 3, 5а, 8а, ф-лы 1, 6, 6а, 7, 9, 10, 11, 12, 13) с необходимыми комментариями.

2. Оптическую и конструктивную схемы оптической системы расширения и коллимации лазерного пучка с указанием используемых юстировочных подвижек (рис.7 и 9).

3. Расчеты, проведенные для подбора элементов системы.

4. Краткие изложения последовательности юстировочных операций.

должна быть такой, чтобы действительно ₃ и окуляр образовывали телескопическую систему.

Если направить из коллиматора (см.рис.2) параллельный пучок на ₃ и между ₃ и окуляром будет установлена втулка требуемой длины l ₃, то наблюдая в окуляр диоптрийной трубки (диоптрийная шкала которой предварительно установлена на «0») мы будем видеть резкое изображение сетки коллиматора. При установке втулок 7 с другой длиной резкого изображения наблюдаться не будет.

ПОДБОР ВТУЛКИ l ₁.

Согласно пункту 2 плоская поверхность коллективной линзы ₁ должна быть совмещена с фокальной плоскостью линзы ₂.

Если на линзу ₂ (см.рис.3) направить параллельный пучок лучей (из коллиматора) в обратном ходе лучей (т.е. со стороны линзы ₃), то в фокальной плоскости линзы ₂ будет образовано изображение сетки коллиматора. Если между линзами ₂ и ₁ будет расположена втулка требуемой длины l ₁, то при наведении микроскопа (путем его перемещения вдоль оптической оси) на резкое видение сетки коллиматора будет одновременно видна поверхность линзы ₁ (a именно пылинки на ее поверхности). Это будет так потому, что в этом случае и фокальная плоскость линзы ₂ и поверхность линзы ₁ будут одновременно совпадать с предметной плоскостью микроскопа.

При установке втулок 5 с отличающимися длинами одновре­менного резкого изображения сетки коллиматора и поверхности линзы наблюдаться не будет.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО ПОЛОЖЕНИЯ ВЫДВИЖНОГО ТУБУСА

После сборки системы « ₁+ ₂+ ₃+ окуляр» в выдвижном тубусе согласно схеме (рис.1) при использовании подобранных втулок

l ₁и l ₃, и имеющейся втулки l ₂, и после установки выдвижного тубуса в отверстии корпуса трубы, положение выдвижного тубуса относительно объектива как указано на схеме (рис.1) и в пункте 1 будет достигнуто тогда, когда при направлении в объективе зрительной трубы параллельного пучка лучей из коллиматора (см.рис.4) и при подвижках выдвижного тубуса вдоль оси будет достигнуто наблюдение в окуляр (при установке «0» по его шкале) резкого изображения сетки коллиматора.

ПРИМЕЧАНИЕ: заключительной операцией юстировки зрительной трубы является проверка установки шкалы механизма диоптрийной наводки (диоптрийной шкалы) окуляра на «0». Эта операция рассматривается отдельно в соответствующей лабораторной работе.