Автоколлимационный способ измерения фокусного расстояния объектива "АПО-МАРС-7" на длине волны 1,064 мкм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоколлимационный способ измерения фокусного расстояния объектива "АПО-МАРС-7" на длине волны 1,064 мкм

Ершов А.Г.

ГОИ им. С И.Вавилова, Санкт-Петербург

В докладе представлен автоколлимационный способ измерения фокусного расстояния линзового длиннофокусного объектива «Апо-Марс-7» на длине волны 1,064 мкм. Проанализированы источники неопределённостей, влияющих на конечную неопределённость измерения. Показаны возможные ограничения данного способа, который применим как на других длинах волн, так и для других объективов.

линзовый волна фокусный объектив

Существуют многочисленные способы измерения фокусных расстояний объективов, которые в зависимости от состава средств измерений условно можно классифицировать двумя большими группами: 1. фокусные расстояния, измеряемые на установках, в состав которых входит коллиматор. 2. фокусные расстояния, измеряемые на установках без использования коллиматора. К первой группе относятся следующие методы:

метод увеличения [1] и его модификации [4]; метод Фабри-Юдина [1] и его различные модификации [2]; прямой метод и метод коллиматора и трубы с фокусировкой [3]. Ко второй группе можно отнести угломерный метод [1] и его модификации, автоколлимационный метод Русинова и другие автоколлимационные методы [4,5]. Традиционные способы дополняют различные изобретения [2,6,7]. Исторически сложилось так, что подавляющее большинство методов измерения фокусных расстояний объективов производят в видимом диапазоне спектра. При возникновении необходимости знания фокусного расстояния в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне, возникают трудности преобразования уже известных способов измерения. Эти трудности связаны с использованием в ИК и УФ диапазонах источников и приёмников лучистой энергии, особенностью создания и юстировки коллиматоров и особенностью применения угломерных приборов в этих диапазонах. На практике это выливается в дополнительные большие материальные затраты. Однако определение фокусного расстояния может быть критически необходимым условием при создании некоторых оптических и оптико-электронных приборов. Например, при создании и настройке лазерного высотомера-вертиканта по программе «Фобос-Грунт» [8,9], знание абсолютных значений углов отклонения пучков излучения лазерного передающего модуля относительно одной из осей измерительной системы координат и их неопределённостей является принципиальным для системы управления космическим аппаратом при посадке на поверхность спутника Марса - Фобоса. А эта величина вычисляется по формуле, в которую входит фокусное расстояние объектива, использованного при данных измерениях, в фокальной плоскости которого имитировали бесконечно удалённый облучаемый объект. Для имитации реальных условий работы, юстировки, настройки и измерения необходимых параметров лазерного высотомера-вертиканта была создана установка на базе линзового объектива «Апо-Марс-7» с фокусным расстоянием 1800 мм и относительным отверстием 1:3,6. Однако, изначально, данный объектив был рассчитан и изготовлен для работы в видимом диапазоне спектра (ахроматизован в области 570…710 нм), а лазерный передающий модуль высотомера-вертиканта работал на длине волны 1,064 мкм. Поэтому при нахождении вышеуказанных углов необходимо было не только выставить плоскость матрицы фоточувствительных элементов, при помощи которой визуализировалось излучение на 1,064 мкм, в плоскость наилучшей установки (фокальную плоскость) для этой длины волны, но и измерить фокусное расстояние объектива на этой длине волны. При больших габаритах «Апо-Марс-7» данная задача не была простой, так как известные способы измерения фокусных расстояний предполагали использование коллиматоров (при измерении методами, отнесёнными выше к первой группе) или углоизмерительными приборами и автоколлимационными приборами (при измерении методами, отнесёнными выше ко второй группе), работающими на длине волны 1,064 мкм, что предполагало создание дорогостоящего оборудования и требовало много времени на его конструирование. Наиболее подходящим для наших целей мог бы быть один из автоколлимационных способов, описанных в [5, с.32…37], однако анализ этих способов показал, что сложность их реализации и затраты на их осуществление могли бы быть значительными, по сравнению со способом, описанным в данной статье. Необходимо было разработать сравнительно простой способ измерения фокусного расстояния объектива «Апо-Марс-7» на 1,064 мкм, который в своей неопределённости измеренного значения фокусного расстояния, трудоёмкости и финансовых затрат на его реализацию, удовлетворял бы тем ограниченным финансовым и временным рамкам, которые были определены заданием на проект лазерного высотомера-вертиканта.

Основная задача состояла в том, чтобы установить источник излучения на 1,064 мкм и плоскость фоточувствительных элементов матрицы, предназначенную для фиксации пучков от лазерного передающего модуля и изображений волокон приёмного модуля, в единую плоскость, которую в дальнейшем необходимо было определить как плоскость наилучшего изображения для «Апо-Марс-7» [10]. Предварительно нами была выбрана схема, в которой в качестве источника вторичного излучения и предмета для объектива «Апо-Марс-7» была диафрагма диаметром 30 мкм, которая подсвечивалась рассеянным излучением от матовой пластинки. В качестве источника первичного излучения был выбран светодиод LED1070-03 фирмы Roithner Lasertechnik с максимумом излучения на 1,07 мкм, с полушириной спектральной полосы излучения 55 нм. Требуемая длина волны 1, 064 мкм выделялась с помощью узкополосного интерференционного фильтра MaxLine™ LaserLineFilter1064 фирмы Edmund Optics с полной шириной пропускания по полувысоте от максимума чуть более 4 нм, который был прозрачен в видимой области спектра (рис.1).

Рис.1. Спектрограмма пропускания интерференционного фильтра. Справа узкая полоса с центром на 1,064 мкм. В центре широкая полоса пропускания в видимой области.

Для повышения отношения сигнал/шум, увеличения контраста изображения на матрице камеры и уменьшения неопределённости, было принято решение принять излучающую площадку светодиода в качестве первичного и единственного источника излучения, и предмета для объектива «Апо-Марс-7». Схема установки изображена на рис.2.

Рис.2. Схема установки светодиода и плоскости фоточувствительных элементов матрицы ФПУ в плоскость наилучшего изображения автоколлимационным способом.

Излучающая площадка светодиода (3) и плоскость фоточувствительных элементов матрицы (4) были выставлены в одну плоскость, которая была съюстирована нормально относительно оптической оси объектива «Апо-Марс-7» (2) в пределах ± 0,1 мм. После светодиода, по ходу лучей был установлен вышеуказанный интерференционный светофильтр, выделяющий длину волны 1,064 мкм (5). В микроскоп, через фильтр наблюдалась излучающая площадка светодиода и подвижками светодиода приводилась в плоскость наилучшего изображения, далее, не меняя фокусировки микроскопа, его перемещали параллельно фокальной плоскости, в сторону удобной для наблюдения фоточувствительного слоя матрицы ПЗС камеры, который находился в плоскости наилучшего изображения микроскопа. За «Апо-Марсом-7» было установлено на подвижном основании автоколлимационное плоское зеркало (1), со световым диаметром 345 мм и точностью формы N=0,3 и ДN=0,1 полосы, юстировочными подвижками которого автоколлимационное изображение светодиода было приведено в центр матрицы. Жесткая сцепка светодиод-матрица-интерференционный фильтр передвигалась вдоль оптической оси объектива «Апо-Марс-7» до получения четкого изображения излучающей площадки светодиода на матрице (рис.3) ПЗС камеры. Положение плоскости наилучшего изображения была найдено с неопределённостью ±0,1 мм. Необходимо отметить, что конструкция матрица-светодиод-интерференционный фильтр была установлена на универсальный суппорт, позволяющей настраивать конструкцию по трем координатам. Этот суппорт был установлен на оптический рельс (6), позволявший передвигать его перпендикулярно оптической оси объектива «Апо-Марс-7. Если передвигать жесткую конструкцию матрица-светодиод-интерференционный фильтр на суппорте по оптическому рельсу в плоскости наилучшего изображения (фокальной плоскости) от условного нулевого положения, расположенного на оптической оси «Апо-Марс-7» объектива, в обе стороны, то разворачивая автоколлимационное зеркало (1) (рис.1) можно компенсировать это линейное смещение таким образом, чтобы изображение на матрице оставалось неподвижным в пределах менее одного пикселя, равного 4,4х4,4 мкм. Приводя, в новом положении жесткой сцепки светодиод-матрица, изображение изучающей площадки светодиода в одну и ту же точку на матрице, можно добиться вышеуказанной точности. Тогда фокусное расстояние можно определить по формуле (1), которая вытекает из решения прямоугольного треугольника

f' = d/(2tgA/2) (1)

где d, мм - линейное смещение по оптическому рельсу; А, градусы - угол разворота автоколлимационного зеркала. Измерение этого смещения жесткой конструкции осуществлялось с помощью отсчетного устройства со стандартной неопределённостью ± 0,1 мм, а наведение до одного пиксела производилось с помощью точного юстировочного постукивания, при этом угол разворота зеркала измерялся автоколлимационным теодолитом 3Т2КА со стандартной неопределённостью ±2 угл.сек. Измеренные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Измеренные значения.

Среднее арифметическое значение равно 1801 мм, а расширенная неопределённость для доверительной вероятности 0, 95 составила ± 2 мм. Таким образом, результат измерения фокусного расстояния объектива «Апо-Марс-7» на длине волны 1,064 мкм можно представить в виде f/=1801 ± 2 мм. Необходимо более подробно пояснить, что величина d это величина смещения жесткой сцепки светодиод-матрица в фокальной плоскости в пределах ±d/2 от оптической оси объектива «Апо-Марс-7». Можно рассмотреть относительные неопределённости составляющих неопределённость измерения фокусного расстояния: неопределённость измерения линейного смещения дd= 0,1[мм]/160[мм]=0,0006, и неопределённость измерения угла дА= 2[угл.сек.]/18315[угл.сек.]=0,0001. Измерение линейного смещения d с неопределённостью 0,01 мм при современном уровне техники не представляется затруднительным, тогда как стандартная неопределённость измерения углов теодолитами или подобными приборами в редких случаях достижима менее 2 угл.сек. Таким образом, при достаточно малых затратах конечную неопределённость измерения фокусного расстояния в вышеописанном способе можно уменьшить более, чем в четыре раза: до значения ± 0,4 мм. И этого было вполне достаточно, так как в описанном способе юстировки лазерного высотомера-вертиканта и измерений его параметров, изложенных в [8] неопределённость измерения фокусного расстояния будет значительно меньше остальных. Сравним полученную неопределённость в результате измерения с неопределённостями известных способов измерения фокусных расстояний [1-3]. Например, в [1,3] неопределённость измерения фокусного расстояния в относительной мере лежат в диапазоне от 0,1% до 0,02%. В описанном способе это значение 2[мм]/1797[мм]=0,001=0,1%, если не прибегать к более точным измерениям d, и равна 0,02%, если измерять d с неопределённостью 0,01 мм. Эти оценки также сравнимы с неопределённостями измерения фокусных расстояний различными способами, описанными в [2]: 0,1…0,01%.

Рассмотрим условия, при которых описанный способ измерения фокусного расстояния может быть реализован: 1. источник излучения и его автоколлимационное изображение должны находиться в поле зрения измеряемого объектива при всех измеряемых значениях d. При линейных размерах светодиодов от 1 мм и матриц от 5 мм сразу можно определить минимальное ограничение линейного поля зрения до значения не менее десятка миллиметров. 2. плоскость наилучшего изображения определяется с помощью матричного приёмника, а эта особенность накладывает свои ограничения, так как изображение на матричном приёмнике, при наблюдении в псевдоцветах, в некоторых случаях может отличаться от ожидаемого. 3. выставление источника и плоскость матричного приёмника в одну плоскость ограничена глубиной резкости микроскопа, которая, в свою очередь, связана с его рабочим расстоянием, большее значение которого может быть более предпочтительно для наблюдения и фиксации. 4. перемещение в пределах d не должно приводить к уходу из плоскости наилучшего изображения (фокальной плоскости). Из вышеизложенного следует вывод, что описанный способ измерения фокусного расстояния предпочтителен для длиннофокусных объективов с линейными полями зрения достаточными для размещения, как источника излучения, так и матричного приемника. Представленный автоколлимационный способ измерения фокусного расстояния объектива «Апо-Марс-7» на длине волны 1,064 мкм имеет относительную неопределённость 0,1% и легко достижимую 0,02%. Данный способ измерения применим на других длинах волн и других типах объективов, при условии, что линейное поле зрения объектива не менее десятка миллиметров, а угловое не менее ± 2,5 градусов, когда можно применить конструкцию источник-матричный приёмник и обойти возможные ограничения по габаритам и рабочему расстоянию объектива, связанные с установкой микроскопа для выставления источника и плоскости фоточувствительных площадок матрицы в одну плоскость.

Литература

1. Объективы. Методы измерения фокусного расстояния. ГОСТ 13095-82, М. Издательство стандартов.1982. 10с.

2. Пизюта Б.А., Михайлов И.О. Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений. // Учебное пособие для студентов оптического факультета.- Новосибирск; СГГА, 1996. 77с. ISBN 5-230-11743-5.

3. Кирилловский В.К. / Оптические измерения. Часть 3. //Учебное пособие. ЛИТМО. 2005. 67с.

4. Афанасьев В.А. Оптические измерения. Учебник для вузов. 3-е изд., М. Высшая школа, 1981, 229с.

5. Афанасьев В.А., Жилкин А.М., Усов В.С. / Автоколлимационные приборы. // М. Недра. 1982г. 144с.

6. Мещеряков В.И., Филиппов О.К., Синельников М.И. / Способ определения фокусного расстояния длиннофокусных оптических систем и устройство для его осуществления. // Патент РФ №2072217.

7. Зуев С. В. / Способ определения фокусного расстояния оптической системы.// Патент РФ №2408862.

8. Ершов А.Г./ Измерительная система координат космического лазерного высотомера-вертиканта, метод юстировки и анализ неопределённостей. // Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина». Космонавтика и ракетостроение. №5 , 2012г., 73-79с.

9. Eduard V. Kuvaldin, Alexandr G. Ershov, Vitaly F. Zakharenkov, Vadim M. Polyakov, Ludmila N. Arhipova. / Testing unit for laser rangefinder.// Proc. of SPIE Vol. 7544, 754457 / doi: 10.1117/12.885857.

10. Ершов А.Г. / Способ определения плоскости наилучшего изображения автоколлимационным методом. // Заявка на изобретение РФ №2011100518.

Размещено на Allbest.ru