УДК 681.7

© И.О. Михайлов

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДИОПТРИМЕТРА

К настоящему времени сформировались основные требования к современным средствам измерений – малая погрешность результата измерений, высокая степень автоматизации и надежность, малые габаритные размеры, технологичность и невысокая стоимость. Однако широко используемые в практике устройства контроля параметров оптических систем – по-прежнему приборы визуального типа. Так, измерение вершинной рефракции очковых линз производится, как правило, с помощью визуальных диоптриметров. При этом точность измерения, зависящая при прочих равных условиях от остроты зрения и опыта наблюдателя, не соответствует современным требованиям.

Стремление повысить точность контрольных операций приводит к разработке новых методов измерения, в частности, предложен метод определения характеристик оптических систем, основанный на анализе в двух плоскостях разнесенных в пространстве полей, формируемых исследуемой оптической системой, и вычислении необходимых параметров, например, фокусного расстояния линзы f ’ (задней вершинной рефракции очковой линзы F’v).

Математическая модель базируется на системе трех линейных функций в прямоугольной системе координат. Одна из функций сопоставляется с лучом света, а две – с измерительными плоскостями (рис. 1).

Рис. 1. Ход луча света в прямоугольной системе координат

Если главную точку контролируемой линзы совместить с началом прямоугольной системы координат, а ее оптическую ось направить вдоль оси X, то узкий пучок лучей, параллельный этой оси и падающий на линзу на высоте а, отклонится на некоторый угол , зависящий от фокусного расстояния линзы.

После определения координат прохождения пучка лучей в двух плоскостях х0 и x1, расположенных на некотором известном расстоянии l друг от друга, фокусное расстояние вычисляется по формуле

,

(1)

где у – разность координата и у0 и у1.

Высота падения луча выбирается с учетом сферической аберрации линзы. Расстояние между измерительными плоскостями определяется из формулы

,

(2)

где f ’mах – наибольшее измеряемое фокусное расстояние;

ymin – минимально возможное значение у, обеспечивающее заданную погрешность измерения и вычисляемое по формуле

,

(3)

где y – погрешность определения у;

f ‘/ f ‘ – обратное значение заданной относительной погрешности.

Измерить величину у из (1) с необходимой точностью стало возможным с появлением новой элементной базы в области электроники. Ряд новых типов фотоприемных устройств (ФПУ) позволяет автоматизировать процесс наведения на след узкого пучка лучей и определения его координаты.

В соответствии с рис. 1, для измерения величины у необходимо в измерительных плоскостях x0 и x1 установить ФПУ, реагирующие на энергетические центры узких пучков лучей, что конструктивно неоправданно. Поэтому разработан оптический измерительный блок, позволяющий использовать одно ФПУ (линейку ПЗС) в двух измерительных плоскостях. Таким блоком является плоскопараллельная пластина (ППП), одна грань которой зеркальная, а другая имеет полупрозрачное покрытие (рис. 2).

Рис. 2. Плоскопараллельная пластина в качестве измерительного блока

Выходная полупрозрачная грань ППП объединяет две измерительных плоскости: I - первый луч, вышедший из ППП, II - второй луч, вышедший из ППП.

Как известно, стеклянная ППП удлиняет ход луча на величину l. Именно эта величина связана с расстоянием между измерительными плоскостями. При малых углах падения

,

(4)

где п – показатель преломления стекла.

Формула (4) справедлива для параксиальных лучей. Для произвольных углов падения необходимо использовать формулу

.

(0)

Эта формула должна использоваться в алгоритме обработки сигнала при уточнении результатов измерений.

Толщина оптического блока d вычисляется из (4) с учетом конструкции измерительного блока (см. рис. 2), в котором луч отражается дважды. Поэтому формула (4) записывается в виде

.

(5)

Из (1) фокусное расстояние контролируемой линзы вычисляется по формуле

,

(6)

где k – количество лучей на выходной грани ППП.

По формуле (6) может быть вычислено фокусное расстояние линзы, однако предлагаемый измерительный блок предназначен для диоптриметров, применяемых в офтальмологии, где принято учитывать не заднее фокусное расстояние линзы, а заднюю вершинную рефракцию F 'v

.

(7)

Таким образом, необходимо измерить не заднее фокусное расстояние линзы, а задний фокальный отрезок S’F ’, который может быть найден из выражения

,

(8)

где S‘H’ – расстояние от вершины задней поверхности линзы до задней главной точки, которое с учетом знака определяется из выражения

,

(9)

где L – расстояние от вершины поверхности линзы до измерительной плоскости II,

х – расстояние от задней главной плоскости линзы до измерительной плоскости II.

,

(10)

где с – координата в измерительной плоскости II.

Рабочая формула диоптриметра выведена из (7), (8), (6), (10)

.

(11)

Расстояние L от вершины поверхности линзы до измерительной плоскости II – это конструктивный параметр прибора, оно равн

,

(12)

где z – расстояние от опорного стержня, контактирующего с измеряемой линзой, до плоскости ФПУ.

На основании вышесказанного предложен оптический измерительный блок, наиболее подходящий для решения поставленной задачи (рис. 3).

Рис. 3. Оптический измерительный блок:

1 – непрозрачный экран с узкой щелью и отверстием; 2 – контролируемая линза; 3 – опорный стержень; 4 – стеклянный оптический блок; 5 – неподвижное ФПУ; 6 – подвижное ФПУ

Блок содержит два ФПУ. Одно из которых 5 неподвижно и служит для центрирования контролируемой линзы 2 относительно оптической оси блока, а другое 6 представляет собой линейку ПЗС и служит для определения координат энергетических центров узких пучков лучей в измерительных плоскостях I (на рис. 3 – луч с одной стрелкой) и II (на рис. 3 – луч с двумя стрелками). В этой плоскости измеряется расстояние от оптической оси до второго пучка лучей – размер с. Расстояние у равно разности координат прохождения пучка лучей в двух измерительных плоскостях I и II.

Линейки ПЗС позволяют определить значение у с погрешностью у не более 2 мкм, при этом относительная погрешность измерения задней вершинной рефракции линзы не превышает величины 0,3% от измеряемой.

Предложенный измерительный блок, построенный по принципу двух измерительных плоскостей, дает возможность существенно упростить конструкцию и уменьшить габариты измерительного устройства при требуемой точности измерения.

© И. О. Михайлов, 2002