Содержание статьи
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.
Разрешающая сила.
Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси. Теоретический предел разрешения двух соседних изображаемых точек определяется как равенство расстояния между их центрами радиусу первого темного кольца их дифракционной картины.
Увеличение.
Если предмет длиной H перпендикулярен оптической оси системы, а длина его изображения H ΄, то увеличение m определяется по формуле m = H ΄/H . Увеличение зависит от фокусных расстояний и взаимного расположения линз; для выражения этой зависимости существуют соответствующие формулы. Важной характеристикой приборов для визуального наблюдения является видимое увеличение М . Оно определяется из отношения размеров изображений предмета, которые образуются на сетчатке глаза при непосредственном наблюдении предмета и рассматривании его через прибор. Обычно видимое увеличение М выражают отношением M = tgb /tga , где a – угол, под которым наблюдатель видит предмет невооруженным глазом, а b – угол, под которым глаз наблюдателя видит предмет через прибор.
При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры.
Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.
Микроскопы.
Если рассматривать через положительную (собирающую) линзу предмет, расположенный за линзой не дальше ее фокальной точки, то видно увеличенное мнимое изображение предмета. Такая линза представляет собой простейший микроскоп и называется лупой или увеличительным стеклом. Из схемы рис. 1 можно определить размер увеличенного изображения. Когда глаз настроен на параллельный пучок света (изображение предмета находится на неопределенно большом расстоянии, а это означает, что предмет расположен в фокальной плоскости линзы), видимое увеличение M можно определить из соотношения (рис. 1):
M = tgb /tga = (H /f )/(H /v ) = v /f ,
Телескопы.
Телескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопа входят две положительные линзы (рис. 2). Лучи от удаленного предмета, параллельные оси телескопа (лучи a и c на рис. 2), собираются в заднем фокусе первой линзы (объектива). Вторая линза (окуляр) удалена от фокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновь параллельно оси системы. Некоторый луч b , исходящий не из тех точек предмета, откуда пришли лучи a и c , падает под углом a к оси телескопа, проходит через передний фокус объектива и после него идет параллельно оси системы. Окуляр направляет его в свой задний фокус под углом b . Поскольку расстояние от переднего фокуса объектива до глаза наблюдателя пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до предмета, то из схемы рис. 2 можно получить выражение для видимого увеличения M телескопа:
M = –tgb /tga = –F /f ΄ (или F /f ).
Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто. В астрономических телескопах оно таким и остается; в телескопах для наблюдений за наземными объектами применяют оборачивающую систему, чтобы рассматривать нормальные, а не перевернутые изображения. В оборачивающую систему могут входить дополнительные линзы или, как в биноклях, призмы.
Осветительные и проекционные приборы.
Прожекторы.
В оптической схеме прожектора источник света, например кратер дугового электрического разряда, находится в фокусе параболического отражателя. Лучи, исходящие из всех точек дуги, отражаются параболическим зеркалом почти параллельно друг другу. Пучок лучей немного расходится потому, что источником служит не светящаяся точка, а объем конечного размера.
Диаскоп.
В оптическую схему этого прибора, предназначенного для просмотра диапозитивов и прозрачных цветных кадров, входят две линзовые системы: конденсор и проекционный объектив. Конденсор равномерно освещает прозрачный оригинал, направляя лучи в проекционный объектив, который строит изображение оригинала на экране (рис. 4). В проекционном объективе предусматриваются фокусировка и замена его линз, что позволяет менять расстояние до экрана и размеры изображения на нем. Оптическая схема кинопроектора такая же.
Спектральные приборы.
Основным элементом спектрального прибора может быть дисперсионная призма либо дифракционная решетка. В таком приборе свет сначала коллимируется, т.е. формируется в пучок параллельных лучей, затем разлагается в спектр, и, наконец, изображение входной щели прибора фокусируется на его выходную щель по каждой длине волны спектра.
Спектрометр.
В этом более или менее универсальном лабораторном приборе коллимирующая и фокусирующая системы могут поворачиваться относительно центра столика, на котором расположен элемент, разлагающий свет в спектр. На приборе имеются шкалы для отсчетов углов поворота, например дисперсионной призмы, и углов отклонения после нее разных цветовых составляющих спектра. По результатам таких отсчетов измеряются, например, показатели преломления прозрачных твердых тел.
Спектрограф.
Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210–800 нм), стекла (360–2500 нм) или каменной соли (2500–16000 нм). В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области.
К приборам, обеспечивающим визуальное наблюдение местности и расположенных на ней объектов, а также их различение на сопутствующих фонах для идентификации и принятия решения о воздействии на них имеющимися средствами относятся: - приборы ночного видения, использующие принцип преобразования невидимого для невооруженного глаза изображения местности и целей ночью в видимое изображение; - приборы ночного видения, основанные на использовании телевизионных передающих трубок, работающих при низких уровнях естественного ночного освещения; - тепловизионные приборы, использующие принцип преобразования собственного теплового излучения местности и целей (тепловой картины) в изображение, наблюдаемое человеческим глазом, в том числе в условиях тумана, дождя, снегопада и искусственных помех - задымления и применения маскирующих аэрозольных образований днем и ночью; - приборы ночного видения, использующие лазерную подсветку целей для наблюдения в ограниченных условиях видимости днем и ночью, вызванных метеорологическими факторами или применением противником средств искусственной маскировки и противодействия.
Спектральная чувствительность глаза человека В спектре электромагнитных волн, простирающемся от гамма- излучения с длиной волны менее сотой нанометра до радиоизлучения с длинами волн десятки километров, спектральная чувствительность глаза человека представляет узенькую полоску от 0,4 до 0,76 мкм в видимой области. Объем информации, поступающий от органов зрения, составляет, по данным науки, 90% всей информации органов чувств человека.
Название диапазона Длины волн, λ Частоты, νИсточники Радио- волны Сверхдлин- ные более 10 км менее 30 к Гц Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры). Длинные 10 км - 1 км 30 к Гц к Гц Средние 1 км м 300 к Гц - 3 МГц Короткие 100 м - 10 м 3 МГц - 30 МГц Ультрако- роткие 10 м -1 мм 30 МГц ГГц Инфракрасное излучение 1 мм нм 300 ГГц ТГц Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Видимое (оптическое) излучение нм 429 ТГц -750 ТГц Ультрафиолетовое нм 7,5×10 14 Гц - 3×10 16 Гц Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. Рентгеновские 10 нм -5 пм 3× ×10 19 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. Гаммаменее 5 пм более 6×10 19 Гц Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.
Краткое понятие зрительного процесса 1. Сфокусированное хрусталиком глаза изображение воспринимается светочувствительным приемником глаза сетчаткой, состоящей из фоторецепторов двух видов: палочек и колбочек, где происходит поглощение света и превращение принятой им световой энергии в электрические сигналы, передаваемые в мозг. Все зрительные восприятия осуществляются с помощью палочек и колбочек, однако различение цвета присуще только колбочкам, в то время как различение света и темноты производится и палочками, и колбочками. 2. Разрешающая способность глаза при солнечном свете обеспечивается колбочками и составляет 0,5 -1 угл. мин, а в сумерки она падает, передавая свои функции аппарату палочек. При этом спектральная чувствительность глаза смещается в сторону более коротких волн, а ее максимум с длины волны 0,55 мкм переходит на длину волны 0,51 мкм. Кривые спектральной чувствительности глаза: 1- в светлое время суток; 2 – в темное
Способность к адаптации изменению чувствительности в зависимости от освещенности на зрачке. Известно, например, что в сумерки глаз способен чувствовать яркость, в 100 раз меньшую, чем в дневное время. Темновая адаптация, т. е. приспособление глаза к темноте, протекает в два периода: первый длительностью около 2 мин, когда чувствительность глаза повышается в 10 раз, и второй длительностью 8 мин, когда чувствительность возрастает еще в 6 раз. Световая адаптация имеет место при внезапном нарушении темноты. В первое мгновение зрение парализуется полностью, и человек перестает видеть. Затем начинает действовать аппарат адаптации. При этом резко сокращается зрачок, падает чувствительность палочек и функции зрения переходят к колбочкам, притормаживающим аппарат палочек, а через некоторое время и выключающим его. Начинается перестройка всего зрительного аппарата от сетчатки до головного мозга, которая помогает справиться с ослеплением и дает возможность видеть в условиях больших яркостей.
Типовая освещённость, примеры Освещённость, лк Где 10 5 Свет Сириуса, ярчайшей звезды ночного неба 0,0003Безлунное звёздное небо 0,01Четверть Луны 0,27Полнолуние в ясном небе 1Полнолуние в тропиках до 20В море на глубине ~50 м. 50Жилая комната 80Подъезд/туалет 100Очень пасмурный день Рабочий кабинет 350±150Восход или закат на Венере 400Восход или закат в ясный день. 1000Пасмурный день; освещение в телестудии 1-3 тыс.Полдень на Венере 4-5 тыс.Полдень в декабре январе тыс.Ясный солнечный день (в тени) тыс.Под прямым солнцем
Естественные уровни освещенности (а), зрение и процесс темновой адаптации Для расчетов дальности действия ПНВ пассивного типа с усилителем яркости изображения I и II поколений принимают освещенность при свете Луны равной 0,1 лк, а при безоблачном звездном небе лк. При этом спектральная характеристика звездного света по интенсивности имеет тенденцию к повышению в ближней ИК- области, вследствие чего наблюдение в этих условиях невооруженным глазом, даже адаптированным, практически невозможно, так как в этой спектральной области глаз уже не обладает чувствительностью.
Факторы, влияющие на решение задач наблюдения 1. Вероятность обнаружения объекта зависит от угловых размеров самого объекта и его контраста с фоном. Чем больше объект и выше контраст, тем раньше этот объект будет обнаружен. При этом опознавание объекта может произвести центральная область глаза фовеа, обладающая высокой разрешающей способностью. При поиске объекта его форма не играет большой роли, а имеет значение только его площадь в пределах соотношения сторон от 1: 1 до 1: 10. Увеличение угловых размеров объекта в 2 раза сокращает время, необходимое для его обнаружения, в 8 раз. 2. Величина контраста определяет время, необходимое для поиска объекта. Контраст в любой точке определяется отношением разности яркостей объекта и фона L о L ф к их сумме L о + L ф. (среднее К=0,32). 3. Время, необходимое для обнаружения объектов светлее и темнее фона при одинаковых абсолютных значениях положительного и отрицательного контрастов, одно и то же. 4. С увеличением поля обзора увеличивается и время, необходимое для поиска объекта. Двукратное увеличение поля обзора повышает время поиска в 4 раза, при этом время поиска определяется не формой поля, а его угловой площадью. 5. Объекты, движущиеся с малой скоростью, обнаруживаются легче, чем неподвижные, а движущиеся с большой скоростью труднее из-за ухудшения видимого контраста. Дальнейшее увеличение скорости может привести к потере видимости объекта. Движение ухудшает видимый контраст объекта, величина которого зависит не только от угловой скорости, но и от угловых размеров объекта наблюдения.
Исходя из качества зрения (4:3), обеспечивающего возможность наблюдения объектов на разнообразных фонах в дневное время, а также из характеристик оптических приборов, определяющих возможность наблюдения неподвижных и движущихся объектов в полевых условиях (увеличение, поля зрения, коэффициент светопропускания, диаметры входного (Д) и выходного (d) зрачков) при наблюдении в оптический прибор вероятность обнаружения объекта почти в 3 раза больше вероятности обнаружения невооруженным глазом.
Влияние погодных условий (состояние атмосферы) на эффективность наблюдения Области пропускания излучения: (интервалы длин волн) видимая область от 0,4 до 0,7 мкм; ближняя инфракрасная от 0,7 до 3,0 мкм; средняя и дальняя инфракрасные от 3 до 6 и от 8 до 14 мкм соответственно. Характеристики пропускания атмосферы (темп.+15º, влажно. 40%). Три последние являются основой создания систем видения в условиях ограниченной видимости
Естественная ночная освещенность Солнце в зените - освещенность земной поверхности достигает максимума и составляет при коэффициенте прозрачности атмосферы около 70% более лк. С движением к горизонту, освещенность, создаваемая Солнцем, составляет всего лишь 10 лк. (изменяется состав солнечного света, при прохождении толщи атмосферы синие и фиолетовые лучи ослабляются сильнее, чем оранжевые и красные, вследствие чего максимум излучения Солнца смещается в красную область спектра). С наступлением сумерек, освещенность, создаваемая светом неба, убывает до наступления астрономических сумерек, за которыми следует наиболее темное время суток ночь (0,3-0,002 лк). Спектральное излучение небесного свода ночью Изменение ЕНО, создаваемой Луной в Зависимости от ее фазы
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТРАСТА В ближней ИК-области наблюдается эффект повышения контраста за счет резких градаций в отражательной способности ряда различных материалов, составляющих природный фон Земли. Спектральные характеристики отражения природных материалов: 1-листва деревьев; 2-трава;3-гравий; 4-кора деревьев Отражательная способность танка и фона: 1-ср. отраж. способность фона;2-отражательная способность танка Отражательная способность ряда природных фонов, таких, как трава и листва деревьев, резко возрастает со смещением в область более длинных волн, в то время как кора деревьев и гравий сохраняют величину отражательной способности постоянной. Это создает контраст, обеспечивающий возможность наблюдения картины, в области, недоступной зрению человека. Коэффициент отражения танка, как и другого объекта, сделанного руками человека, сохраняет свою величину в широком интервале длин волн, в то время как отражательная способность фона увеличивается, чем и достигается необходимый для обнаружения в этом спектральном интервале контраст.
Выводы: 1. Так как спектральный максимум чувствительности глаза человека приходится на длину волны 0,55 мкм при солнечном освещении, а при пониженной освещенности в сумерки смещается в сторону более коротких волн до 0,51 мкм, в то время как максимум ЕНО по спектру имеет тенденцию к смещению в сторону длинных волн, то возникла необходимость поиска средств, позволяющих видеть в темноте. (в 1869 г. тепловым лучам было присвоено наименование «инфракрасные» в отличие от другого также невидимого излучения - ультрафиолетовых (УФ) лучей, открытых в 1801 г.). 2. Ультрафиолетовый спектр не используется для ночного видения из-за сильного поглощения УФ-излучения атмосферой и многими другими оптическими средами, в то время как ИК-лучи довольно хорошо пропускаются атмосферой и обладают рядом физических свойств, позволяющих использовать их как в качестве средств подсветки целей (ИК- прожекторов) в активных ПНВ, так и для создания преобразователей для наблюдения изображения целей в ИК- лучах. 3. В пасмурную погоду, ночью, когда небо закрыто плотным слоем облаков облучение цели ИК-лучами помогло бы обнаружить цель за счет резкого подъема контраста в ИК-области, но, спектральная чувствительность глаза, ограниченная длиной волны 0,76 мкм, не обеспечивает решение этой задачи. 4. Решение проблемы ночного видения всегда заключалось в создании прибора, чувствительного в области 0,75-0,9 мкм, с последующим преобразованием картины в этом диапазоне в диапазон длин волн, доступный глазу.
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) приборов ночного видения (ПНВ) Фотоэлектрические приемники, принцип действия которых основан на отрыве электрона под действием излучения (внутренний фотоэффект), позволили в конечном счете перейти к созданию электронно-оптического преобразователя, а затем и прибора ночного видения. Стакан Холста: 1-фотокатод; 2-металлизированный люминесцентный экран; 3-стеклянный цилиндр; 4-поток электронов; 5-электроны, не получившие достаточного ускорения кислородно-цезиевый серебряный фотокатод слой люминофора, с полупрозрачныйм металлизированный экран Принцип работы: - на фотокатод такого преобразователя, называемого стаканом Холста, направляется поток ИК-лучей или сфокусированное объективом изображение какого-либо предмета в ИК-лучах; - его кванты вырывают из фотокатода электроны, которые под действием ускоряющего поля, создаваемого высоким напряжением, направляются к экрану; - в месте соударения электронов с люминофором возникает свечение, наблюдаемое глазом. Недостатки: -отсутствует фокусировка электронов; -нечеткое изображение на экране. фотонэлектронфотон hν 1>е >hν 2, где hν 1 и hν 2 энергии падающего и вылетающего фотонов с частотами ν 1 и ν 2 ; h постоянная Планка, равная 6,626·10 34 Дж·с.
е >hν 2, где hν 1 и hν 2 энергии падающего и вылетающего фотонов с частотами ν 1 и ν 2 ; h постоянная Планка, равная 6,626·10 34 Дж·с.">
Принцип действия ЭОП с электростатической фокусировкой 1-фотокатод; 2-фокусирующие кольца; 3- символическое изображение электронной линзы; 4-траектории электронов; 5-люминенсцентный экран; 6-анод; 7-делитель напряжения В данном ЭОП фокусировка электронного пучка производилась с помощью фокусирующих колец, к которым прикладывалось постоянное напряжение от высоковольтного источника тока через делитель напряжения. Фокусирующие кольца образовывали эквипотенциальные поля, напоминающие по распределению в них напряжения линзу, вследствие чего такой вид фокусировки стал называться электронной линзой в отличие от другого способа фокусировки, осуществляемого с помощью магнитного поля, образующего магнитную линзу (припомощи постоянных кольцевых магнитов или катушек индуктивности.
СХЕМА РАБОТЫ ПНВ НУЛЕВОГО ПОКОЛЕНИЯ (АКТИВНЫЕ) 1-объект излучения; 2-поток ИК-лучей; 3-ИК-прожектор; 4-лампа; 5-ИК-фильтр; 6-эл.опт. прибор; 7-объектив; 8- окуляр; 9-ЭОП; 10-фотокатод; 11-люминесцентный экран Положительные стороны: Трубки нулевого поколения стали основой создания активных ПНВ, положительным качеством которых является независимость от величины ЕНО, что обеспечивает возможность их применения в условиях полной темноты: в закрытых помещениях, глубоких траншеях, подземных сооружениях. Недостатки: 1. В ухудшенных условиях видимости - дождь, туман, снегопад - дальность наблюдения в активные ПНВ резко сокращается, так как капли дождя, хлопья снега и частицы тумана отражают излучение ИК-прожектора, создавая так называемую обратную засветку на фотокатоде ЭОП прибора. 2. Исключена скрытность и внезапность открытия огня, так как активные ПНВ с включением ИК-прожектора легко обнаруживаются противником.
Характеристики фотокатодов применяемых в ПНВ Кислородно-цезиевый серебряный фотокатод S1 Незначительная величина радиационной чувствительности - немногим более 2 мА/Вт - и малый квантовый выход - около 0,4% - не обеспечивали возможность наблюдения объектов при естественной ночной освещенности. В результате ЭОП с этим фотокатодом нашел применение в активных ПНВ использующих активный метод подсветки целей. S11 на основе щелочноземельных металлов - калия, натрия и цезия с добавкой сурьмы Удалось повысить квантовый выход по сравнению с S 1 почти в 3 раза. Имеет незначительной величиной термоэлектронной эмиссии. S11 не нашел применения в ЭОП, так как его спектральная характеристика имеет максимум в области длины волн 0,4 0,6 мкм, не представляющей интереса для ночного видения. S20 многощелочного типа, не требующий охлаждения и в то же время обладающий высоким квантовым выходом в спектральной области, обеспечивающей возможность работы ПНВ в условиях ЕНО. Характеристики фотокатодов, применяемых в ЭОП ПНВ Многощелочные фотокатоды - S20ЕR и S20 На их основе выросло новое поколение ЭОП, удовлетворяющее условиям работы в спектральной области, лежащей за длиной волны 0,7 мкм, с целью использования этой наиболее эффективной области для работы ПНВ с усилением яркости изображения, обеспечивающих возможность создания пассивных приборов, работающих в условиях ЕНО без подсветки.
Модульный ЭОП нулевого поколения с волоконно-оптическими пластинами (ВОП) вместо стеклянных входных и выходных окон в ЭОП. ВОП, состоят из микроскопических волоконных стеклянных световодов, способных передавать изображение с большой четкостью и позволили применить сферические катоды и экраны, существенно упростившие элементы фокусирующих систем и обеспечившие высокую разрешающую способность передачи изображения. В результате были созданы ЭОП-трубки модульной конструкции с фотокатодами и экранами диаметром 18, 25 и 40 мм. Новые трубки являются переходом от технологии ПНВ активного типа к пассивным ПНВ, использующим усиление яркости изображения. Трубка представляет собой однокамерный преобразователь или однокамерную трубку. Ускоряющее напряжение такой трубки 15 кВ. 1-ИК-излучение; 2-волоконно-оптическое входное окно; 3-фокусирующие электроды; 4- волоконно- оптическое выходное окно; 5-видимое излучение; 6- фосфорный экран; 7-фотокатод; 8-пучки электронов Недостатки Трубка обеспечивает коэффициент усиления около 80, что делает возможным наблюдения в ПНВ на ее основе только в лунную ночь, да и то в том случае, когда рассматриваемый предмет находится на открытом месте. В менее благоприятных условиях прибор с такой трубкой не обеспечивает решение задач ночного видения.
Трехкамерный ЭОП из трех усилителей, соединенных световолокном Соединение выходного экрана одной модульной трубки с входньм фотокатодом другой дает получение значительного усиления яркости спроецированного на входной фотокатод первой трубки слабо освещенного изображения. ЭОП такого вида называется двухкамерным или однокаскадным, так как первая камера является преобразователем ИК-изображения в видимое, а вторая каскадом усиления яркости изображения. Трехкамерный преобразователь носит название двухкаскадного, так как имеет два каскада усиления. Коэффициент усиления повышается с числом каскадов: -однокамерная трубка-преобразователь около 80; -двухкамерная - уже 4000; -трехкамерная - порядка Это дало возможность создать на ее основе ПНВ для наблюдения ночью в условиях ЕНО без подсветки целей ИК- прожектором, т. е. абсолютно пассивное наблюдение, ничем себя не демаскирующее. Недостатки - ограниченная величина флюктуации фотонов, препятствующей дальнейшему повышению усиления путем увеличения ускоряющего напряжения в каскадах усиления; - снижение разрешающей способности от каскада к каскаду (на выходе составляет около половины; - высокая чувствительность каскадных усилителей яркости к слепящим засветкам. ПНВ I поколения, обладающие высокой чувствительностью и низким уровнем шума, нашли применение в качестве прицелов к тяжелому оружию и наблюдательных приборов дальнего действия и состоят на вооружении армий многих стран мира. 1-ИК-излучение; 2-волоконно-оптическое входное окно; 3- фокусирующие электроды; 4- волоконно-оптическая соединительная плата; 5-волоконно-оптическое выходное окно; 6-свет; 7-фотокатод; 8-фосфорный экран; I-первая ступень; II-вторая ступень; III-третья ступень
Усилители II поколения (способ умножения электронного потока, образованного воздействием внешнего излучения на фотокатод, взамен применявшегося в УЯИ I поколения способа сообщения фотоэлектронам ускорения путем приложения высокого напряжения) Общий принцип работы: При вылете фотоэлектронов из фотокатода направляется непосредственно на близлежащую пластину, называемую микроканальной и представляющую собой диск с огромным числом микроскопических каналов, являющихся фотоэлектронными умножителями, путем возбуждения в каналах эффекта вторичной электронной эмиссии. (электронный поток не подвергается фокусировке и проецированию на фосфорный экран) Микроканальная пластина, содержит 1 миллион 760 тысяч микроскопических каналов (5000 на 1 мм 2) диаметром 12 мкм каждый. Размеры и число микроканалов варьируются в зависимости от назначения. Длина канала МКП около 45 его диаметров. Каналы имеют наклон, чтобы вылетевший из фотокатода электрон не пролетел вглубь, а, ударяясь о край, отражался от него в виде множества, образуя лавинный процесс. Преимущества: 1. В результате вторичной электронной эмиссии яркость свечения, в десятки тысяч раз превышает яркость ИК-излучения на фотокатоде трубки. 2. Приложенное высокое напряжение (около 1 кВ) в десятки раз меньше напряжения, необходимого для питания камер I поколения. 3. Обеспечивает воспроизведение изображения после МКП без фокусировки, что существенно сокращает осевую длину трубки. Для повышения разрешающей способности используется увеличительная электронная оптика перед МКП. 1-первичный электрон; 2-вторичные электроны; 3-стенка микроканала; 4- лавина электронов на выходе; 5-электрод; 6-источник напряжения
Типы трубок УЯИ II поколения (1-й тип) Напоминает однокамерный ЭОП нулевого поколения с фотокатодом и электронной фокусирующей линзой с той лишь разницей, что в трубке с УЯИ II поколения электронный поток с фотокатода поступает непосредственно на МКП, в то время как в трубке нулевого поколения он фокусируется электронной линзой на экран. Усиленный микроканальной пластиной поток электронов ускоряется интенсивным однородным электрическим полем, образованным в узком вакуумном промежутке, и бомбардирует люминесцентный экран, на котором возникает видимое изображение. Усилитель имеет усиление по световому потоку до 1000 раз при коэффициенте усиления от до 50000, что обеспечивает возможность создания ПНВ, действующих при низких уровнях ЕНО. ЭОП II поколения на МКП: 1-ИК-излучение; 2-волоконно-оптическое входное окно; 3-вакуум; 4-фокусирующие электроды; 5-пучок электронов; 6-волоконно-оптическое выходное окно; 7-видимое излучение; 8-экран; 9-микроканальная пластина; 10-фотокатод
Типы трубок УЯИ II поколения (2-й тип) Второй тип усилителя II поколения использует перенос электронного изображения дважды: от фотокатода на вход МКП и с выхода МКП на люминесцентный экран. Эффект достигается особыми приемами в технологии и конструкции (технология вакуумного переноса). Трубки, изготовленные по такой технологии, называются слоистыми и отличаются высокой компактностью. С помощью слоистой трубки изображение в ПНВ воспроизводится без искажений размеров входа и вывода, т. е. происходит только усиление яркости изображения. В случае необходимости трубка снабжается на выходе волоконно-оптическим элементом, обеспечивающим поворот изображения на 180°, что позволяет существенно уменьшить длину ПНВ. ЭОП III с фотокатодом на арсениде галлия: 1-фотокатод; 2-микроканальная пластина; 3- экран; 4-волоконно-оптический элемент поворота изображения на 180°; 5-тороидальный источник питания
Преимущества ЭОП II поколения 1.Легкость, компактность, возможность применения в портативных приборах. 2. Менее чувствительны к засветкам от встречных выстрелов, факелов осветительных средств и сигнальных огней. При попадании светящегося тела в поле зрения ПНВ II поколения засветка носит локальный характер и возникает в пределах углового размера источника света, не создавая ореола, как в ПНВ I поколения. 3. ПНВ II поколения обеспечивают наблюдение целей на дальности, превышающей дальность действия ПНВ I поколения в 1,5 раза в лунную ночь и в 1,8 раза в звездную.
Усилитель яркости изображения III поколения Данные трубки, так же как и трубки II поколения, в качестве УЯИ используют МКП. Особенностью трубки III поколения является высокоэффективный фотокатод, основанный на отрицательном эффекте сродства элементов III и V групп периодической системы Менделеева - арсениде галлия. Фотоэлектроны, образующиеся при поглощении квантов света арсенидом галлия, достигают поверхности на границе с вакуумом в отличие от предшественников (S20ЕR и S20). - Преимущества: -эмиссия фотоэлементов увеличивается почти в 4 раза по сравнению с фотокатодами II поколения за счет использования спектрального излучения с длиной волны около 0,9 мкм, что обеспечивает высокие разрешение целей в этой спектральной области, где контраст достигает максимальной величины, а значит, и увеличение дальности обнаружения и опознавания целей на природных фонах; -ПНВ с усилителем III поколения отличается от ПНВ II поколения большей эффективностью фотокатода при освещенности лк и менее за счет продвижения в область с длиной волны 0,9 мкм, в то время как ПНВ с УЯИ II поколения обеспечивают работу при более высоких освещенностях; -микроканальная пластина монтируется на расстоянии десятых долей миллиметра от фотокатода с ускоряющим напряжением около 1000В, что обеспечивает высокую компактность трубки. Спектральные характеристики фотокатодов II (S20) III (GaAs) поколений: 1- S20; 2- GaAs
Требования к ПНВ 1. Обеспечение высокого качества изображения с равномерным разрешением по всему полю зрения. 2. Достаточная яркость изображения. 3. Правильное распределение яркости по области изображения. 4. Наличие автоматической регулировки яркости для защиты от сильных засветок. 5. Достаточная дальность наблюдения. 6. Прочность. 7. Защита от грязи и влаги. 8. Универсальность питания. 9. Удобство и простота эксплуатации прибора.
Общая структурная схема ПНВ 1 - объектив; 2 - ЭОП; 3 - коллиматорный объектив (лупа); 4 - разделительная призма; 5 - телескопическая система; 6 - встроенный источник питания; 7 - автономный источник питания; 8 - УП; 9 - преобразователь напряжения низковольтный; 10 - кабель; 11 - переходник; 12 - насадка (съемная)
Оптические приборы.
Все оптические приборы можно разделить на две группы:
1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К ним относятся , , киноаппараты и др.
2) приборы, которые действуют только совместно с человеческими глазами и не образуют изображений на экране. К ним относится , и различные приборы системы . Такие приборы называются визуальными.
Фотоаппарат .
Современные фотоаппараты имеют сложное и разнообразное строение, мы же рассмотрим из каких основных элементов состоит фотоаппарат и как они работают.
Основной частью любого фотоаппарата является объектив - линза или система линз, помещенная в передней части светонепроницаемого корпуса фотоаппарата (рис. слева). Объектив можно плавно перемещать относительно пленки для получения на ней четкого изображения близких или отдаленных от фотоаппарата предметов.
Во время фотографирования объектив приоткрывают при помощи специального затвора, который пропускает свет к пленке лишь в момент фотографирования. Диафрагма регулирует световой поток, который попадает на пленку. Фотоаппарат дает уменьшенное, обратное, действительное изображение, которое фиксируется на пленке. Под действием света состав пленки изменяется и изображение запечатлевается на ней. Оно остаётся невидимым до тех пор, пока пленку не опустят в специальный раствор - проявитель. Под действием проявителя темнеют те места пленки, на которые падал свет. Чем больше было освещено какое-нибудь место пленки, тем темнее оно будет после проявления. Полученное изображение называется (от лат. negativus - отрицательный), на нем светлые места предмета выходят темными, а темные светлыми.
Чтобы это изображение под действием света не изменялось, проявленную пленку погружают в другой раствор - закрепитель. В нем растворяется и вымывается светочувствительный слой тех участков пленки, на которые не подействовал свет. Затем пленку промывают и сушат.
С негатива получают (от лат. pozitivus - положительный), т. е. изображение, на котором темные места расплолжены так же как и на фотографируемом предмете. Для этого негатив прикладывают с бумаге тоже покрытой светочувствительным слоем (к фотобумаге), и освещают. Затем фотобумагу опускают в проявитель, потом в закрепитель, промывают и сушат.
После проявления пленки при печатании фотографий пользуются фотоувеличителем, который увеличивает изображение негатива на фотобумаге.
Лупа.
Чтобы лучше рассмотреть мелкие предметы, приходится пользоваться лупой.
Лупой называется двояковыпуклая линза с небольшим фокусным расстоянием (от 10 до 1 см). Лупа является простейшим прибором, позволяющим увеличит угол зрения.
Наш глаз видит только те предметы, изображение которых получается на сетчатек. Чем больше изображение предмета, тем больше угол зрения под которым мы его рассматриваем, тем отчетливее мы его различаем. Многие предметы малы и видны с расстояния наилучшего видения под углом зрения, близким к предельному. Лупа увеличивает угол зрения, а также изображение предмета на сетчатке глаза, поэтому видимые размеры предмета
увеличиваются по сравнению с его действительными размерами.
Предмет АВ размещают на расстоянии, немного меньшей фокусного, от лупы (рис. справа). При этом лупа дает прямое, увеличенное, мысленное изображение А1 В1. Лупу обычно размещают так, чтобы изображение предмета находилось на расстоянии наилучшего видения от глаза.
Микроскоп.
Для получения больших угловых увеличений (от 20 до 2000)
используют оптические микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получают с помощью оптической системы, которая состоит из объектива и окуляра.
Простейший микроскоп - это система с двух линз: объектива и окуляра. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии F 1 < d < 2F 1 и рассматривается через окуляр, который используется как лупа. Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличения объектива Г1 на увеличение окуляра Г2:
Принцип действия микроскопа сводится к последовательному увеличению угла зрения сначала объективом, а затем - окуляром.
Проекционный аппарат.
Проекционные аппараты используют для получения увеличенных изображений. Диапроекторы применяют для получения неподвижны х изображений, а с помощью кинопроекторов получают кадры, которые быстро заменяют друг
друга и воспринимаются глазом человека как подвижные изображения. В проекционном аппарате фотоснимок на прозрачной пленке размещают от объектива на расстоянии d, что удовлетворяет условию: F< d < 2F . Для освещения пленки используют электрическую лампу 1. Для концентрации светового потока применяют конденсор 2, который состоит из системы линз, которые собирают расходящиеся лучи от источника света на кадре пленки 3. С помощью объектива 4 на экране 5 получают увеличенное, прямое, действительное изображение
Телескоп.
Для рассматривания отдаленных предметов служат зрительные трубы или телескопы. Назначение телескопа - собрать как можно больше света, от исследуемого объекта и увеличить его видимые угловые размеры.
Основной оптической частью телескопа служит объектив, который собират свет и создаёт изображение источника.
Есть два основных типа телескопов:рефракторы (на основе линз)и рефлекторы (на основе зеркал).
Простейший телескоп - рефрактор, как и микроскоп, имеет объектив и окуляр, но в отличие от микроскопа объектив телескопа имеет большое фокусное расстояние, а окуляр - малую. Поскольку космические тела находятся на очень больших расстояниях от нас, то лучи от них идут параллельным пучком и собираются объективом в фокальной плоскости, где получается обратное, уменьшенное, действительное изображение. Чтобы сделать изображение прямым, используют еще одну линзу.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны излучения, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.
Также оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
Геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;
Волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;
Квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.
Геометрическая оптика– это раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и отражения света от зеркальных или полупрозрачных поверхностей.
Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон отражения и преломления света, закон независимости световых пучков, зеркальное и диффузное отражение, закон независимости световых пучков.
Волновая оптика - изучает явления, в которых проявляется волновые свойства света. Интерференция – один из двух путей переноса энергии в пространстве. Это явление происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в разных направлениях. При встрече двух волн в противофазе – наблюдается штиль, мертвая точка – деструктивная интерференция; при совпадении по фазе – удваивание амплитуды – конструктивная интерференция. На основе этого явления создан интерферометр: один луч разбивается на два синфазных луча. Смещение интерференционной картины позволяет отслеживать положение луча.
Дифракция – в основе лежит принцип Гюйгенса, т.е. каждая точка на пути распространения луча может являтся новым источником вторичных волн.
Квантовая оптика – раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляется корпускулярная природа света. Одна из главных проблем: описание взаимодействия света с веществом, учитывая квантовую природу объекта, а также исследования света в специальных природных условиях.
Оптоэлектроника - важная самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.
Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления – оптическое и электронно-оптическое.
Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.
Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.
Оптрон - электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно - светодиод, в ранних изделиях - миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фото тиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе.
Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель.
Основным элементом оптоэлектроники является оптрон (см. рис. 1).
16.1 Оптиметры
Оптиметром называется рычажно-оптический прибор, предназначенный для точных относительных измерений геометрических величин. Типы, основные параметры и технические требования устанавливаются в ГОСТ 5405-75. Оптиметр состоит из оптического устройства - трубки оптиметра, устройства крепления трубки и столика для базирования измеряемой детали.
Оптическая схема оптиметра основана на использовании оптического рычага и автоколлимационной системы. На рис. 71, а, б показана оптико-механическая схема трубки оптиметра. Свет от источника излучения 7 направляется зеркалом 8 на скошенную грань осветительной призмы 9 и, отразившись от нее, освещает сетку 6, расположенную в фокальной плоскости объектива 4 автоколлиматора. На сетке (рис. 1, б) справа в светлом прямоугольном окне на темном фоне нанесена шкала в ±100 делений и от-счетный индекс-штрих. Шкала перекрыта со стороны окуляра призмой 9 и смещена относительно оси на некотором расстоянии b. Пройдя через шкалу, лучи попадают в прямоугольную призму 5 и отклоняются по выходе из нее на 90° (это сделано для умень-
шения габаритных размеров трубки). Затем лучи вместе с изображением штрихов шкалы проходят объектив 4, а из него параллельным пучком падают на зеркало 3, отражаются от него и в обратном ходе дают автоколлимационное изображение шкалы на сетке 6. Автоколлимационное изображение шкалы симметрично самой шкале вертикальной оси z сетки. Так как левая половина сетки прозрачна, то изображение шкалы наблюдается в виде черных штрихов на светлом фоне. Если зеркало 3 перпендикулярно к оптической оси объектива, то нулевые штрихи шкалы и их автоколлимационное изображение совместятся на горизонтальной оси х сетки с индексом-штрихом.
Рис. 1. Оптическая схема вертикального оптиметра
Перемещение автоколлимационного изображения шкалы относительно индекса-указателя отсчитывается по принципу оптического рычага. Если после установки измеряемого объекта 1 измерительный стержень 2 переместится и наклонит зеркало 3, то изо-
бражение сетки сместится параллельно вертикальной оси сетки (параллельно действительной сетке). Это смещение наблюдается в окуляре 10 трубки оптиметра. К оптиметру прилагается проекционная насадка ПН-16, облегчающая процесс измерения.
Рис. 2. Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-2
Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-02, показанная на рис. 2, представляет сочетание схем автоколлиматора и схемы многократного отражения. Лучи света от источника излучения 1
через конденсор 2, теплофильтр 3, линзу 4 падают на осветительную призму 5, освещают окно с прозрачной шкалой, нанесенной на плоскопараллельной стеклянной пластине 15, расположенной в фокальной плоскости объектива 14. В поле зрения экрана прибора видны удлиненные штрихи с цифрами, нанесенными через десять малых делений. Шкала имеет по обе стороны ±100 делений (200 делений).
Лучи света выходят из пластины 15, отражаются от зеркала 16, входят в объектив 14, а из него параллельным потоком вместе с изображением шкалы попадают на неподвижное зеркало 12, отражаются от него на качающееся зеркало 11. Здесь происходит многократное отражение. Далее лучи с автоколлимационным отражением шкалы возвращаются к пластине 15, на которой проецируется изображение шкалы в плоскости штриха-индекса. Совмещенные изображения шкалы и штриха-индекса проецируются через зеркальную систему 8, 9, 10 на экран 13.
Фокусировка и центровка лампы 1 производится по ее нити с наводкой на резкость объективом 6 и проецированием ее резкого изображения на экран 13 посредством зеркальной системы 8, 9,10.
Осевое перемещение измерительного стержня 17 вызывает наклон зеркала на некоторый угол а, вследствие чего автоколлимационное изображение шкалы на экране также будет перемещаться относительно неподвижного штриха-индекса пропорционально углу 2а. На зеркалах 12 и 11, являющихся оптическими умножителями, пучок лучей претерпевает одиннадцать отражений.
По расположению линий измерения оптиметры разделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные оптиметры - станковые приборы с базирующим устройством в виде стойки с вертикальной осью расположения. Горизонтальные оптиметры - стан-
ковые приборы с горизонтальной осью расположения трубки оптиметра.
По ГОСТ 5405-75 настольные оптиметры выпускаются следующих типов: вертикальные (модели ИК.В-2, ИК.В-3); горизонтальные (модели ИКГ-2, ИКГ-3); окулярные (модели ИКВ-2, ИКГ-2, ИКГ-3). Диапазон измерений приборов: ИК.В-2 от 0 до 180 мм; ИКВ-3 от 0 до 200-мм (только при наружных измерениях); ИКГ-2 и ИКГ-3 от 0 до 500 мм при наружных и от 0 до 400 мм при внутренних измерениях. Цена деления трубки оптиметра 1 мкм; диапазон измерений по шкале ±0,2 мм; предел допускаемой погрешности ±0,2 мкм на участках шкалы от 0 до ±0,06 мм. Размах показаний не более 1 мкм. Измерительное усилие при наружных измерениях не более 200 сН.
16.2 Измерительные машины
Измерительные машины - оптико-механические контактные приборы, предназначенные для точного измерения деталей больших размеров методом непосредственного измерения или сравнения с мерой.
В конструкциях машины принцип Аббе не соблюден, так как обычно линия измерения и шкала расположены в параллельных плоскостях. При использовании же принципа Аббе длина машины увеличилась бы на две длины измеряемой детали.
Конструкция измерительной машины показана на рис. 3. На массивной чугунной станине 1 по параллельным направляющим перемещается задняя бабка 3 с закрепленным в ее пиноли 6 измерительным наконечником, осевое перемещение которого осуществляется штурвалами 2 микроподачи. Бабка в продольном направлении перемещается кремальерным механизмом. Вместе с бабкой перемещается осветитель 4 и левый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14. В передней бабке 10 установлен отсчетный микроскоп 11 и трубка оптиметра 9 с измерительными наконечниками. Бабка в пределах 100 мм перемещается вращением Штурвала 12. При этом предусмотрено стопорение бабки в нужном положении. Одновременно с бабкой перемещается и закрепленный па ней правый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14.
Для отсчета размеров в пределах диапазона измерений в станине установлена дециметровая шкала 7, в которой через каждые 100 мм вставлены девять стеклянных пластин 8 с биссекторами. Под передней бабкой установлена стеклянная шкала 13 длиной 100 мм с делениями через 0,1 мм.
Рис. 3. Принципиальная схема измерительной машины
Для установки машины в нулевое положение заднюю бабку помещают над левой (нулевой) пластиной с биссектором, при этом
оптическая ось осветителя располагается над окном биссекторной шкалы. Лучи света от лампы 4 через конденсор 5 освещают биссектор, проходят преломляющую призму 14, и коллиматор 15 собирает их в параллельный пучок. Так как бисеектор находится в фокусе коллиматора, то в параллельном пучке получается бесконечно удаленное изображение биссектора. Далее, это изображение попадает в правый коллиматор 15, проходит через призму 14 и накладывает изображение нулевого биссектора на расположенную в фокусе коллиматора шкалу 13. Перемещая переднюю бабку 10, добиваются совпадения нулевого штриха с серединой биссектора. Затем микровинтом 12 приводят измерительные наконечники в соприкосновение друг с другом и устанавливают шкалу трубки оптиметра на нуль. После этого стопорят винт пиноли.
При измерении переднюю бабку отодвигают от задней, совмещают последнюю с требуемым биссектором миллиметровой шкалы. Измеряемую деталь устанавливают на линии измерения с помощью предметного стола или люнетов, перемещают переднюю бабку до момента, когда измерительные наконечники обеих бабок коснутся измеряемой детали. При этом изображение шкалы оптиметра не должно выходить из поля зрения трубки оптиметра. Далее, перемещая бабку 10, совмещают ближайшие деления шкалы 13 с изображением биссекторного штриха и снимают отсчет. Число дециметров определяют по номеру пластины шкалы 13, снимая с помощью микроскопа 11 отсчет с точностью 0,1 мм, а сотые и тысячные доли миллиметра определяют по шкале трубки оптиметра.
Измерительные машины ИЗМ-1, ИЗМ-2, ИЗМ-4 выпускаются с верхними диапазонами измерений 1, 2 и 4 м. Диапазон измерений ИЗМ-1 от 0 до 1000 мм при наружных и от 1 до 900 мм -при внутренних измерениях; ИЗМ-2 от 0 до 2000 мм при наружных и от 1 До 1900 -при внутренних измерениях; ИЗМ-4 от 0 до 4000 мм при наружных и от 1 до 3900 - при внутренних измерениях. Цена деления 1 мкм. Допускаемая погрешность биссекторной шкалы ± (0,3 + 9-10~ 3 £) мкм, шкалы с отсчетным устройством с= = 0,1 мм ± (0,7+1,5-10 -3 L), где L - номинальный размер, мм.
Составляющие погрешности измерения на измерительных машинах аналогичны погрешностям оптиметра. Однако важной для машин является температурная составляющая. Предельные погрешности измерений методом непосредственной оценки наружных размеров 1-500 мм составляют от ±1 до ±6 мкм, а при измерении методом сравнения -от ±1 до ±2 мкм; внутренних размеров 13-500 мм методом сравнения с концевыми мерами от ± 1,5 до ±9 мкм.
16.3 Длиномеры
Длиномеры - оптико-механические приборы контактного типа, в которых шкала совмещена с линией измерения (полное использование принципа Аббе).
Рис. 4. Оптическая схема вертикального длиномера ИЗВ-2
Принципиальная схема вертикального длиномера ИЗВ-2 показана на рис. 4. Измерительный шток 4 имеет продольное окно, в которое вставлена стеклянная шкала 5, имеющая 100 делений с интервалами через 1 мм. Шкала 5 освещается источником света 1 через светофильтр 2 и конденсор 3. Изображение миллиметровой шкалы объективом 11 проецируется в плоскость сеток 7 и 8окуляра 6 спирального микрометра. Призмы 9 и 10 отклоняют пучок лучей, выходящий из объектива на 45°.
Рис. 5. Оптическая схема вертикального проекционного длиномера ИЗВ-3
Вертикальный проекционный длиномер ИЗВ-3 (рис. 5) отличается от длиномера ИЗВ-2 тем, что здесь вместо окулярного микрометра применено отсчетное проекционное устройство с оптическим микрометром. Свет от лампы / проходит конденсор 2, светофильтр 3, осветительные линзы 4 и падает на отражательное зеркало 5, освещает участок миллиметровой шкалы 6, перемещающейся вместе с измерительным штоком 7. Изображение этого участка шкалы объективом 8 через призменную систему 9, линзы 10 и плоскопараллельную пластину // проецируется на неподвижную сетку 13 (шкала десятых долей миллиметра с индексом). Лимб 12 имеет шкалу тысячных долей миллиметра. Лимб и сетка находятся в фокальной плоскости объектива 16. Изображение миллиметровых штрихов, десятых и тысячных долей миллиметра, а также индекс проецируется коллективной линзой 14, объективом 16 и зеркальной системой 15, 17, 18 на экран 19.
На длиномере проводят абсолютные измерения концевых мер, диаметров гладких предельных калибров, корпусных деталей с разгювысотными плоскостями. При использовании малогабаритных угломерных устройств на них можно измерять профили малогабаритных дисковых кулачков.
ТЗГТ7-Л7 П -------~~«тт л „ п *^тгл VO
Рис. 6. Схема горизонтального длиномера ИК.У-2
Принципиальная схема длиномера ИКУ-2 показана на рис. 6. На направляющих станины / установлена измерительная бабка 6, в которой на линии измерения (с соблюдением принципа Аббе)
установлена измерительная пиноль 23. На правом конце пиноли крепится миллиметровая шкала 9 длиной 100 мм, а на левом конце- трубка оптиметра. При этом ее измерительный стержень 4 может перемещаться относительно пиноли 23 и поворачивать зеркало 5 трубки оптиметра. Грубое перемещение измерительного стержня производится штурвалом 13, а точное - микровинтом 10. В верхней части установлен экран и осветительная система. Свет, идущий от лампы 8, разделяется на два пучка. Первый пучок преломляется призмой 7, освещает участок миллиметровой шкалы и проецирует изображение шкалы объективом 11 в плоскость неподвижной биссекторной шкалы 12 с ценой деления 0,1 мм общей Длиной 1 мм. Совмещенные изображения штрихов шкал 9, 12 объективом 14 проецируются на участок 15 экрана 17. Второй пучок преломляется в призме 7 и направляется на разделительный кубик, где, отразившись от полупрозрачной грани, падает на осветительное зеркало 20. Далее проходит оптиметровую шкалу 21 и ее Изображение объективом 22 проецируется на зеркало 5 трубки оптиметра. Автоколлимационное изображение оптиметровой шкалывозвращается на полупрозрачную грань кубика 19, проходит ее и„ отразившись от зеркала 20, направляется объективом 18 на участок 16 оптиметровой шкалы экрана 17. Деталь устанавливается на предметном столике 24 и ощупывается измерительными наконечниками 2, 3. Таким образом, в измерительной бабке складываются два независимых перемещения - измерительной пиноли 23 вместе с миллиметровой шкалой 9 в пределах 100 мм и измерительного стержня 4 трубки оптиметра в пределах 100 мкм. Эти перемещения фиксируются на экране по шкалам 15, 16.
Измерительная бабка 6 вместе с измерительным наконечником 3 штурвалом 13 подводится к измеряемой детали. Микровинтом 10 перемещают измерительную пиноль 23 вместе со шкалой 9 до совмещения миллиметровой шкалы с ближайшим биссекторньш штрихом неподвижной шкалы десятых долей миллиметра. Отсчет снимают по шкале 15, прибавляя или вычитая из него показание шкалы 16 трубки оптиметра.
Основные типы и технические характеристики вертикальных и горизонтальных длиномеров приведены в ГОСТ 14028-68.
В эксплуатации находятся вертикальные и горизонтальные длиномеры следующих типов: вертикальные ИЗВ-1, ИЗВ-2, экранные ИЗВ-3 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений О-250 мм и отсчетом 0,001 мм; горизонтальные ИКУ-2 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений 500 мм и от 1 до 400 мм соответственно для наружных и внутренних размеров и отсчетом 0,001 мм.
Основные преимущества этих длиномеров - повышенная точность измерения (в 3 раза), повышенная производительность (в 2 раза), облегчение ручного и полуавтоматического управления процессом измерения, абсолютные измерения с высокой точностью и относительные от аттестованного значения образцовой меры с выводом результата измерения на цифровое табло и цифропечатающее устройство.
Основные технические характеристики вертикального длиномера с цифровым отсчетом ИЗВ-4 следующие: предел измерения О-160 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность прибора ± (0,4 + L/500) 10 3 мм, где L - измеряемая длина в мм.
Горизонтальный длиномер с цифровым отсчетом ИЗГ-4 имеет следующие основные характеристики: пределы измерения наружных размеров 0-500 мм, внутренних - 10-400 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность ± (0,3-М0~ 3 L) мм, где L - измеряемая длина в мм.
Предел допускаемой погрешности длиномера нормируется в зависимости от номинального размера L и типа прибора: для вертикальных ±(1,4 + L/100) мкм (ИЗВ-1); ±(1,4 + 1/140) мкм (ИЗВ-2)"; для горизонтальных ± (1,4 + L/100) мкм (ИКУ-2)-при наружных измерениях и ± (1.9 + L/140) мкм при внутренних изме-
рениях. Размах показаний не более 0,4 мкм, измерительное усилие 200 сН.
Основными составляющими погрешности измерения длиномерами являются: погрешность отсчета по спиральному микроскопу- не более 0,001 мм при двукратных измерениях: погрешность отсчета по оптическому микрометру - не более 0,001 мм; погрешности перепада измерительного усилия вследствие температурных деформаций.
Предельные погрешности измерения длиномерами составляют от 1,5 2,5 мкм в зависимости от условий применения.
Поверка длиномеров регламентирована ГОСТ 8.114-74 и МУ-№ 341. При поверке применяют концевые меры 4-го разряда. Учитывая применение больших концевых мер, существенное внимание должно уделяться выравниванию их температуры. Для этого обычно концевые меры помещают на металлическую плиту блоков концевых мер на 1-2 ч и более при длине мер соответственно до 100 мм и 100-250 мм.
16.4 Катетометры
Катетометры - приборы для бесконтактного дистанционного измерения в труднодоступных местах вертикальных и горизонтальных координат изделий, которые трудно измерить обычными методами.
Катетометр (рис. 7, а) состоит из следующих основных частей: визирного устройства - зрительной трубы 3, перемещаемой по направляющим 1, устройства 4 для установки зрительной трубы в горизонтальное положение (уровень или автоколлиматор), шкалы 5 и отсчетного устройства 2 (микроскоп, нониус, лупа). На рис. 7, б показана оптическая схема катетометра КМ-6, состоящая из зрительной трубы и отсчетного микроскопа с осветительной системой. В зрительную трубу входят объектив 10 с насадочными линзами 8, светофильтр 9, фокусирующая линза 11, сетка 13 и окуляр 15. Отсчетный микроскоп включает микрообъектив 2, куб-призму 3, масштабную сетку 12 и окуляр 14.
Осветительная часть микроскопа, предназначенная для подсветки шкалы 1, состоит из лампы 7, конденсора 6, светофильтра 5 и зеркала 4.
В отсчетном микроскопе лучи света от лампы 7 проходят конденсор 6, светофильтр 5, отражаются от зеркала 4, проходят куб-призму 3 и через микрообъектив 2 попадают на отражающую поверхность миллиметровой шкалы 1; затем отражаются от нее и в обратном направлении проходят микрообъектив 2, куб-призму 3, "И изображение штриха проецируется на масштабную сетку 12. Совмещенное изображение штриха и масштабной сетки наблюдается в окуляр 14. При измерении координат катетометром ориентировочно определяют расстояние от объекта измерения до объектива зрительной трубы. Выставляют ось колонки в вертикальное положение по уровню. Поднимают измерительную каретку на высотувыбранной точки объекта и с помощью механического визира грубо выставляют зрительную трубу. Наводят окуляр зрительной трубы на резкое изображение объекта. Зрительную трубу наводят на выбранную точку а объекта так, .чтобы ее изображение расположилось в правой половине сетки посредине углового биссектора на уровне горизонтального штриха. Снимают первый отсчет по масштабной сетке. После перемещения измерительной каретки в положение второй точки б снимают второй отсчет. Размер измеренного отрезка есть разность между двумя отсчетами.
Рис. 7. Катетометр
В соответствии с ГОСТ 19719-74 катетометры изготовляют двух типов: В - вертикальный для измерения вертикальных координат; У - универсальный с приспособлением для измерения горизонтальных координат.
Однокоординатные вертикальные катетометры КМ-6, КМ-8, КМ-9 имеют пределы измерения 0-200, 0-500 и 0-1000 мм и погрешности отсчетного устройства ±1,5; ±2 и ±2 мкм соответственно.
Двухкоординатный универсальный катетометр КМ-7 имеет предел измерения 300X300 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм; трехкоординатный модернизированный катетометр КМ-9 имеет предел измерения 1000 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм.
Пределы допускаемой погрешности катетометров при измерении по образцовым шкалам 2-го разряда не должны превышать ±(10 + L/100) мкм при диапазонах измерения по шкалам 40- 320 мм и ±(10 + L/50) мкм - по шкалам 500-1250 мм, где L - расстояние от переднего торца объектива зрительной трубы до объекта измерения.
При измерении координат катетометрами возникают погрешности вследствие нарушения принципа компарирования, неточности изготовления отдельных элементов конструкции, погрешностей установки визирных марок на изделие и температурных погрешностей.
16.5 Сферометры
Сферометры - приборы, предназначенные для измерения радиусов кривизны сферических поверхностей косвенным измерением высоты шарового сегмента. Принципиальная схема сферометра ССО (ИЗС-7) показана на рис. 8, а. В корпус стаканообразной формы 4 в верхней части установлено сменное измерительное кольцо 1, на торце которого под углом 120° запрессовано три шарика 10 для базирования измеряемой детали. Внутри корпуса по точным направляющим может перемещаться измерительный стержень 9 с контактным шариком на верхнем конце. В продольном пазу стержня крепится миллиметровая стеклянная шкала 6, подсвечиваемая отраженным от зеркала 3 световым потоком осветителя 2. Изображение миллиметровой шкалы проецируется микрообъективом 7 в плоскость шкал спирального окулярного микрометра 8. Противовес 5 обеспечивает подъем измерительного стержня до контакта (с определенным усилием) шарика с поверхностью сферы.
При измерении радиусов кривизны выпуклых поверхностей, последняя опирается на внутреннюю поверхность кольца, а вогнутых поверхностей - на наружную поверхность кольца, т. е. по точкам Ki, Кг (рис. 8, б).
Рис. 8. Сферометр ССО (ИЗС-7)
При измерении на кольцо устанавливают образцовую стеклянную пластину и снимают первый отсчет; поместив на кольцо измеряемую деталь, снимают второй отсчет. Разность отсчетов и есть высота шарового сегмента.
Радиусы кривизны сферических поверхностей /? 4 и R z определяются по формулам: для выпуклой сферы Ri - r 2 + h 2 /2h- q; для вогнутой сферы Rz=r 2 + h 2 j2h + Q.
ГОСТ 11194-76 предусматривает выпуск кольцевых контактных сферометров типов: ССО (ИЗС-7) -стационарный с оптическим отсчетным устройством с установкой детали на приборе; СНО (ИЗС-8)-накладной с оптическим отсчетным устройством с установкой прибора на деталь; СНМ (ИЗС-9)-механическое устройство, измерение сравнением с концевой мерой.
Диапазон измерения радиусов на сферометрах ССО, СНО, СНМ от 10 до 40000 мм: диапазон шкал сферометров ССО, СНО от 0 до 30 мм, а СНМ от 0 до 100 мм; цена деления 1,0 мм; цена деления шкалы отсчетного устройства 0,001 мм.
16.6 Инструментальные и универсальные микроскопы
Инструментальные и универсальные микроскопы - измерительные оптико-механические приборы широкого применения. Их используют в метрологических лабораториях машиностроительных заводов для измерения линейных и угловых геометрических величин.
Рис. 9. Оптическая схема инструментального микроскопа
Инструментальные измерительные микроскопы предназначены для измерения в проходящем и отраженном свете наружных и внутренних геометрических размеров, углов изделий по угломерной головке и столу, резцов, фрез, кулачков, шаблонов и других деталей.
Оптическая схема (большого инструментального микроскопа (БМИ) показана на рис. 9. Свет от лампы 1 проходит парабол-лоидный конденсор 2, линзу 3, светофильтр 4, ирисовую диафрагму 5, отражается от зеркала 6 и с измененным направлением в 90° направляется в линзу 7, а из нее параллельным пучком освещает измеряемый объект, расположенный на предметном столе 8 или в центрах бабки. Объектив 9 проецирует изображение предмета в фокальную плоскость окуляра 14, где установлена сетка 13 угломерной окулярной головки. В задней фокальной плоскости объектива расположена диафрагма 10, сопряженная с ирисовой диафрагмой, в результате чего создается телецентрический ход лучей.
Призма 11 обеспечивает получение прямого изображения и изменяет направление оптической оси в удобном для наблюдателя направлении. Защитное стекло 12 предохраняет от загрязнения оптические детали при смене окулярной головки.
На схеме показана угломерная головка, состоящая из окуляра 14, стеклянного лимба 18 со шкалой от 0 до 360° с ценой деления 1°, сетки 13, которая может вращаться вместе с лимбом; отсчетно-го микроскопа с объективом 17, окуляром 15 с сеткой 16, осветительного устройства 20 и светофильтра 19.
В окулярной головке наблюдают изображение контура объекта и сетку. Симметрично диаметральной штриховой линии справа и слева нанесены по две параллельные штриховые линии на расстоянии 0,3 и 0,9 мм соответственно положению рисок от края измерительных ножей, когда они находятся в контакте с измеряемой поверхностью детали. При наводке совмещаются соответствующие риски ножа и сетки, что значительно повышает точность измерения.
