Автоколлимационный окуляр
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано в оптических контрольно-измерительных приборах, работающих в автоматическом и полуавтоматическом режимах на разных длинах волн для юстировки и контроля новой, например, космической техники. Сущность: устройство содержит осветительную систему, автоколлимационную марку, светоделитель и приемно-измерительную часть, оптически сопряженные между собой. При этом светоделитель выполнен в виде плоского зеркала с наружным отражающим покрытием и прозрачной центральной зоной, которая выполняет функции автоколлимационной марки, совпадающей с передним фокусом приемно-измерительной части. Технический результат: повышение точности измерения.1 ил. 
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано в оптических контрольно-измерительных приборах, работающих в автоматическом и полуавтоматическом режимах на разных длинах волн, для юстировки и контроля новой, например, космической техники.
В автоколлимационных приборах используется ряд схем автоколлимационных окуляров (В.А.Афанасьев и др. Автоколлимационные приборы. М., Недра, 1982, с.8), с помощью которых создано большое количество визуальных измерительных приборов, работающих в ручном исполнении. Все автоколлимационные окуляры, содержащие сцентрированную марку имеют светоделитель, позволяющий оптическим способом разделять прямое и обратное ее изображение. Для светоделения используются различные виды светоделительных и отражающих (несплошных) покрытий на пластинке (окуляр Гаусса) или на одной из призм (окуляр с куб-призмой). Наиболее характерным является покрытие с равными коэффициентами пропускания и отражения, т.е. они 50% света пропускают и 50% - отражают.
Функция оптического деления света светоделителем приводит к большим потерям света от 60% до 90% (В.А.Афанасьев и В.С.Усов. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М., Недра, 1973, с.48). А уменьшение полезного сигнала на приемно-измерительной части понижает точность измерения. Кроме того, использование в качестве светоделителя оптических деталей, работающих на пропускание света, создает экранирующий фон, который снижает точность измерения за счет понижения контраста изображения марки и ухудшает эффективность увеличения яркости источника света. Экранирующий фон светоделителя не позволяет применять в автоколлимационных устройствах лазерную технику.
Создание и нанесение качественного покрытия характерно большими технологическими сложностями. Усложняют технологию такие факторы, как работа в отличной от видимой области спектра и условия эксплуатации.
Наличие одной оптической детали, работающей на два канала, усложняет юстировку устройства и вызывает нестабильность его погрешности.
Все вышесказанное можно видеть в автоколлиматоре ТА-5 (В.А.Афанасьев и др. Автоколлимационные приборы, М., Недра, 1982, с.109), автоколлимационный окуляр которого содержит два светоделителя в виде куб-призмы. На передней призме 9 построена осветительная система с маркой 8. А светоделитель 3 позволяет создать приемно-измерительную часть с фотоэлементом 16. Окуляр 1 с сеткой 2 используется для согласования изображения сетки 8 с нуль-отсчетом на гальванометре 13. Автоколлимационный сигнал в виде отраженного от зеркала 11 изображения сетки 8 попадает на фотоэлемент 16, пройдя через оба светоделителя 9 и 3. Потери света на каждом из них достигают 90%. Кроме того, передняя часть светоделителя 9 имеет наибольший экранирующий фон. В результате точность измерения низкая, несмотря на монохроматическое изображение марки 8.
Создание новой оптической техники с большой апертурой и высокой разрешающей способностью, работающей в автоматическом режиме при ограниченной энергозатрате, предъявляет новые требования к измерительной технике вообще и к автоколлимационным приборам в частности. К таким требованиям прежде всего относятся повышение точности измерения за счет увеличения полезного сигнала на приемно-измерительной части и полного исключения экранирующего фона на светоделителе. Кроме того, необходимо, использование в качестве источника света лазерной техники. К новым требованиям можно отнести высокую надежность работы, например, в условиях космоса или в условиях повышенных температур. Увеличиваются требования простоты конструкции и технологичности изготовления устройства.
Наиболее близким к изобретению в части компоновки автоколлимационного окуляра является окуляр малогабаритного автоколлиматора МГА (Афанасьев В.А. и др. Автоколлимационные приборы. М., Недра. 1982, с.12). Его приемно-измерительная часть расположена перед осветительной системой и содержит светоделительный кубик 3, компенсатор в виде телескопической системы 4, отсчетное устройство 5, 6, полупента-призму 7 и окуляр 8. Вместо визуальной приемно-измерительной части может быть установлен канал автоматического считывания в виде матрицы фотоприемников. Такая схема позволяет сократить до одного количество светоделителей и использовать ту часть светоделителя, которая имеет наименьший экранирующий фон от источника света 9. Однако наличие в схеме куб-призмы 3 сохраняет потери полезного сигнала, идущего в приемно-измерительную систему до 90%, и экранирует его частично уменьшенным фоном.
Кроме того, прототип как и аналог имеет светоделитель с функцией оптического разделения прямого и обратного изображения марки 12. Отсюда большие потери света и экранирующий фон, исключающий использование лазерной техники. Такое устройство не годится для использования в полевых условиях. Ошибки положения светоделителя влияют одновременно на точность работы обоих каналов, в целом на инструментальную погрешность прибора.
Целью изобретения является повышение точности измерения при одновременном расширении диапазона рабочих условий.
Указанная цель достигается тем, что у автоколлимационного окуляра, содержащего оптически связанные между собой осветительную систему, автоколлимационную марку, светоделитель и приемно-измерительную часть, светоделитель выполнен в виде плоского зеркала с наружным отражающим покрытием, а автоколлимационная марка имеет вид прозрачной зоны в его центре, совпадающим с передним фокусом приемно-измерительной части.
На чертеже показан автоколлимационный окуляр, состоящий из осветительной системы 1 с наибольшей освещенностью в точке А, светоделителя в виде плоского зеркала 2 с маркой в виде прозрачной зоны 3 и приемно-измерительной части 4 с передним фокусом в точке Fпич. Плоское зеркало 2 установлено под углом 
к оптической оси осветительной системы, при этом центр марки зоны 3 в плоскости отражающей поверхности зеркала 2, совпадает с точкой А, Оптическая ось приемно-измерительной части 4 с оптической осью осветительной системы 1 составляет угол 2 и передний фокус Fпич совпадает с точкой А, т.е. центр марки зоны 3 находится на оптической оси осветительной системы 1 в точке А и в переднем фокусе приемно-измерительной части 4 в точке Fпич.
Устройство работает следующим образом.
Свет от осветительной системы 1 идет в точку А и освещает марку в зоне 3, которая является автоколлимационной маркой объектива автоколлиматора (на чертеже не показан). В обратном ходе изображение марки попадает на зеркало 2 и направляется им в приемно-измерительную часть 4, где все его отклонения обрабатываются по заданной программе. Таким образом, в рассмотренном устройстве каналы осветительной системы и приемно-измерительной части не связаны на светоделителе, т.е. светоделитель не несет функцию оптического светоделения. В оптической схеме предложенного автоколлимационного окуляра светоделитель выполняет функцию отражения наклонным зеркалом с наружным покрытием, не работающим на светопропускание (световой зоной с диаметром 0,1-0,5 мм можно пренебречь). В прототипе, если светоделитель имеет погрешность положения, то ошибка каждого канала удваивается. В предложенном устройстве это касается только приемно-измерительной части. Для его осветительной системы необходимо совместить точку А с центром марки. Исключение функции оптического светоделения позволяет значительно сократить потери света, сведя их в конечном счете к потерям при отражении от одной отражающей поверхности с коэффициентом отражения от 0,85 до 0,98 (потери в прямом ходе можно полностью исключить). На 100% устраняется экранирующий фон, что позволяет использовать любой источник света, в том числе и когерентный. А это значительно повышает точность измерения. Отсутствие взаимосвязи каналов и некритичность к ошибкам (угловым) осветительной системе повышает надежность работы устройства в различных условиях.
Предложенное устройство позволяет выполнить светоделитель, а точнее светоразделитель, в следующих вариантах.
Вариант I. Зеркало 2, сплошное, обработанное с двух сторон. С одной стороны оно покрыто отражающим слоем (алюминировано). Марка на зеркале формируется маской в его центре при покрытии отражающего слоя. С обратной стороны зеркало покрывается защитным покрытием, кроме центральной световой зоны. Такой вариант позволяет создавать марку любой формы. Образующий в стекле фон не является экранирующим, т.к. защищен зеркальным покрытием. Потери в прямом ходе определяет толщина зеркала.
Вариант II. Зеркало с отражающим покрытием, имеет в центре отверстие диаметром 0,1-0,5 мм. Этот вариант позволяет использовать лазерный источник света без потерь. При соответствующей толщине зеркала (1,5-2 мм) дифракционный эффект можно не учитывать.
Вариант III. Зеркало с отражающим покрытием, имеет в центре отверстие, в котором закреплен световод из стекловолокна с источником света. Такой вариант перспективен для работы в условиях космоса, т.к. он может быть полностью герметичен при выполнении требований минимальных энергозатрат.
Все варианты отличаются от прототипа простотой конструкции и высокой технологичностью.
Таким образом, заявленный автоколлимационный окуляр позволил полностью исключить оптическое светоделение и развязать каналы осветительной системы и приемно-измерительной части, исключить их взаимное влияние друг на друга. Это обеспечило повышение точности измерения за счет увеличения полезного сигнала на приемнике и ликвидации экранирующего фона при различных типах осветителей, в том числе и лазерных. При значительном упрощении конструкции (отпала необходимость использования оптического светоделителя), повысилась надежность устройства, расширились возможности его эксплуатации в том числе в условиях космоса. Упростилась технологичность. Так, например, вместо куб-призмы используется простое зеркало о наружным покрытием.
Перспективы использования предложенного устройства большие. Так, оно может быть применено в автоколлиматоре с большим полем зрения, оборачивающей системой, устройством перефокусировки и т.п. В качестве отражателя может использоваться непрозрачное зеркало, например, металлическое. Это обеспечивает использование эффекта автоколлимации для всех длин волн, в том числе инфракрасных (10,6 мкм).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что новая совокупность известных признаков при наличии новых, не присущих данному классу устройств признаков, позволяет получить новое качество основной технической характеристики устройства, а именно - повышение точности измерения в широком диапазоне рабочих условий. Отсюда следует, что предложенное решение соответствует критерию "существенного отличия".
На предприятии выполнен макет автоколлиматора с увеличением 60х и полем зрения 2°. В качестве автоколлимационного окуляра использовано предложенное устройство в виде конструкции I и II вариантов (см. описание работы устройства). Световой диаметр на отражающем зеркале 20 мм. Толщина зеркала 2 мм. Марка в I варианте выполнена в виде креста с толщиной штриха 0,1 мм, и во II варианте - в виде отверстия диаметром 0,2 мм. За счет увеличения полезного сигнала и улучшения контраста изображения марки (полностью исключен экранирующий фон) удалось повысить точность измерения на порядок. В частности измерялась децентрировка сферических деталей с точностью до 1 мкм. Использование лазера в качестве источника света во II варианте позволило измерить децентрировку каждой поверхности в сложной оптической системе, состоящей из 12 оптических деталей с суммарным расстоянием в 23 метра. Конструкция макета автоколлиматора за счет упрощения окулярной части значительно проще конструкции прототипа. Макет надежен, легко юстируется и работает в полевых условиях. При этом источник света (лазер) базируется на своем, не связанном с макетом основании. Использование в качестве приемно-измерительной части телевизионного приемника подтвердило возможность дистанционного измерения с точностью разрешения телевизионной системы.
Таким образом, предложенный автоколлимационный окуляр значительно отличается от известных. При низких затратах на изготовление, хорошей надежности работы в различных условиях, он может быть использован для создания высокоточного измерительного автоколлиматора, используемого в промышленных предприятиях и НИИ. Кроме того, он может быть использован для создания принципиально новых контрольно-измерительных приборов, работающих в открытом космосе, например, при монтаже металлоконструкций или в лазерной технике для создания мощных источников энергии, работающих на длине волны 10,6 мкм.
Все это говорит о том, что предложенное техническое решение выгодно отличается от известных и может быть эффективно использовано в народном хозяйстве и оборонной технике.
Формула изобретения
Автоколлимационный окуляр, содержащий оптически сопряженные между собой осветительную систему, автоколлимационную марку, светоделитель и приемно-измерительную часть, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, светоделитель выполнен в виде плоского зеркала с наружным отражающим покрытием и прозрачной центральной зоной, выполняющей функции автоколлимационной марки, совпадающей с передним фокусом приемно-измерительной части.
РИСУНКИ
