POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 3. Przyrządy i elementy przyrządów używane w pomiarach optycznych. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Transkrypt

1 POMIARY OPTYCZNE 1 Wykład 3 Przyrządy i elementy przyrządów używane w pomiarach optycznych Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Pokój 18/11 bud. A-1

2 POMIARY OPTYCZNE 1 Wykład 3 Przyrządy i elementy przyrządów używane w pomiarach optycznych Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Pokój 18/11 bud. A-1

3 KOLIMATORY Kolimator przyrząd przetwarzający padające światło w równoległą wiązkę (skolimowaną) lub w wiązkę o określonej zbieżności. Padający strumień może być rozbieżny, zbieżny lub może nie mieć ustalonej zbieżności. Kolimator jest zwykle częścią składową większych przyrządów. (Wikipedia) Kolimator instrument optyczny tworzący obrazy punktów lub testów w bardzo dużej odległości; używa się ich do pomiaru i kontroli charakterystyk różnych przyrządów optycznych. Składa się on z bardzo dobrze skorygowanego, długoogniskowego obiektywu, w którego płaszczyźnie ogniskowej przedmiotowej znajduje się płytka ogniskowa. (Hanc) Kolimator = urównoleglacz?! Poszerzacz wiązki!

4 KOLIMATORY Kolimator składa się z bardzo dobrze skorygowanego*, długoogniskowego obiektywu Ob, w którego płaszczyźnie ogniskowej przedmiotowej znajduje się płytka ogniskowa Pk. Oba te elementy w najprostszym przypadku znajdują się w rurze, przy czym oprawa płytki ogniskowej może być przesuwana w płaszczyźnie prostopadłej do osi kolimatora (po co?). * skorygowanego na co?

5 KOLIMATORY Oświetlacz zapewnia równomierne oświetlenie płytki ogniskowej. Składa się on najczęściej z dwóch płasko-wypukłych soczewek, zwróconych do siebie wypukłościami (kondensor). Soczewki te powinny znajdować się jak najbliżej płytki ogniskowej (Zwrócić uwagę na umieszczenie oprawy obiektywu na przesuwnym gwincie po co?)

6 KOLIMATORY Jeśli nie stosujemy oświetlacza, to rurę kolimatora można zamknąć matówką (po co?). W wielu przypadkach między oświetlacz a płytkę ogniskową wstawia się zielony (dlaczego zielony?) filtr świetlny. Zamiast matówki można nałożyć na kolimator okular, nastawiony na ostre widzenie płytki ogniskowej (w jakim celu?). Rysunek płytki ogniskowej ustawia się w jego płaszczyźnie ogniskowej z dokładnością nie mniejszą niż 0,001 dioptrii (bo tak).

7 KOLIMATORY Rysunek płytki ogniskowej kolimatora wykonuje się zwykle metodą fotograficzną lub przez rysowanie na warstwie srebra i trawienie kwasem lub też napylanie (chromem) w aparaturze próżniowej.

8 KOLIMATORY Obiektywy kolimatorów muszą być doskonale skorygowane (na korekcję jakich aberracji należy zwrócić szczególną uwagę?) a ich zdolność rozdzielcza w zakresie wykorzystywanego pola powinna być równa teoretycznej. Dla niewielkiego pola widzenia (2-3 ) używane są na ogół dwusoczewkowe obiektywy aplanatyczne* o sile światła od 1:12 do 1:8 i o ogniskowej 300, 1200 i 1500 mm. Mimo niewielkiego pola widzenia kolimatora należy zwrócić uwagę na dobre skorygowanie krzywizny pola, które może być źródłem paralaksy na brzegu pola. Ogólną zasadą, która kierujemy się przy wyborze obiektywu kolimatora jest konieczność stosowania obiektywu o dłuższej ogniskowej niż ogniskowa obiektywu przyrządu sprawdzanego przy użyciu kolimatora. Im dłuższa ogniskowa obiektywu, tym lepszą nieskończoność daje kolimator. * Aplanat obiektyw fotograficzny opracowany w 1866 roku w zakładach Carl August Steinheil & Söhne w Monachium, składał się z dwóch dubletów achromatycznych ustawionych symetrycznie wobec apertury. Jego projektantem był Hugo Adolf Steinheil. Użycie dwóch symetrycznych dubletów pozwoliło na wyeliminowanie większości wad optycznych (aberracja sferyczna, aberracja chromatyczna, koma i dystorsja).

9 KOLIMATORY Specjalny rodzaj kolimatorów: szerokokątne (pole widzenia 2w=30-45 ). Kolimatorów tych używa się do: - pomiarów kąta pola widzenia lunet; - sprawdzania mechanizmów pomiaru kąta w przyrządach celowniczych; - sprawdzania martwych ruchów przyrządach celowniczych; - sprawdzania kątowej wartości działek w tychże przyrządach. Kolimatory te muszą mieć bardzo dobrze skorygowane wszystkie aberracje osiowe i pozaosiowe (w szczególności dystorsję, krzywiznę pola i astygmatyzm).

10 KOLIMATORY Ustawianie kolimatorów na nieskończoność : 1) Autokolimacja (patrz: lunety autokolimacyjne); 2) Obserwacja bardzo dalekiego punktu; 3) Metoda pentagonu i lunety; 4) Metoda trzech kolimatorów. Można pokazać, że dokładność ustawienia kolimatora na nieskończoność zależy od wielkości źrenicy wyjściowej. Ad. 3) Stosowana do ustawiania kolimatorów o dużej średnicy.

11 LUNETY Podstawowa konfiguracja lunet używanych w pomiarach: Keplera. Czasami zaopatruje się ją w układ odwracający ale w praktyce rzadko (czemu?). Lunety instrumentów geodezyjnych wyposażone są w wewnętrzne układy ogniskujące lub (rzadziej) przesuwną poosiowo część okularową wraz z płytką ogniskową. (Po co ta zmiana ogniskowej?) Stosunkowo rzadko w przyrządach mierniczych stosuje się tzw. lunety pankratyczne o zmiennym powiększeniu. Lunety takie umożliwiają ciągłą zmianę powiększenia bez przerywania obserwacji.

12 LUNETY Przyrządy kontrolno-justerskie zaopatrzone są zwykle w najprostsze lunety typu Keplera, składające się z dodatniego obiektywu i okularu oraz płytki ogniskowej. Oprawa obiektywu stanowi najczęściej źrenicę wejściową i przesłonę aperturową. Oprawa płytki ogniskowej określa z kolei kąt pola widzenia lunety (jaka to przesłona?). Zdolność rozdzielcza lunety określona jest przez kąt między promieniami, wychodzącymi z dwóch widocznych oddzielnie przez jej układ optyczny nieskończenie dalekich punktów, przechodzącymi przez środek źrenicy wejściowej. D G 140" D - fizykalna (wynikająca z falowej natury światła) zdolność rozdzielcza lunety wyrażona w sekundach; - średnica źrenicy wejściowej lunety w mm; - fizjologiczna zdolność rozdzielcza lunety (skąd te 60?); - powiększenie wizualne lunety; 60" (A jaka jest naprawdę zdolność rozdzielcza konkretnej lunety?); G

13 PARALAKSA Paralaksa efekt niezgodności różnych obrazów tego samego obiektu obserwowanych z różnych kierunków. W szczególności paralaksa odnosi się do jednoczesnego obserwowania obiektów leżących w różnych odległościach od obserwatora lub urządzenia obserwującego, a objawia się tym, że obiekty te na obu obrazach są oddalone od siebie o odmienną odległość kątową lub też nachodzą na siebie na tych obrazach w odmiennym stopniu.

14 PARALAKSA W metrologii paralaksa jest zjawiskiem błędnego odczytu wskazania przyrządu pomiarowego, wynikającym z nieodpowiedniego kąta patrzenia człowieka na to urządzenie, skutkiem czego linia wzroku przechodząc przez element wskazujący pada na znajdującą się za tym elementem skalę odczytu w niewłaściwym miejscu. Różnica pomiędzy odczytem rzeczywistym a wartością odczytu poprawnego nazywana jest błędem paralaksy.

15 LUNETY Podobne zależności (jak przy zdolności rozdzielczej) otrzymuje się przy naprowadzaniu lunety na cel zanikiem zjawiska paralaksy. W przestrzeni przedmiotowej popełnia się wtedy błąd naprowadzenia: gdzie: Δα błąd naprowadzania wyrażony w minutach; δ błąd naprowadzenia zauważalny okiem nieuzbrojonym (0,25-1 ); G - powiększenie wizualne lunety. Błąd poosiowego naprowadzenia lunety związany jest oczywiście z głębią ostrości T, która z kolei związana jest ze średnicami źrenic: wejściowej D i wyjściowej d: T 0,6 0, 6 2 G d GD G

16 LUNETY W praktyce mierniczej i do sprawdzania oraz montażu instrumentów optycznych używa się następujących rodzajów lunet typu Keplera: 1) Lunety astronomiczne. 2) Lunetki justerskie: a) pomocnicze; b) dioptryjne; c) centrowane; d) podwójne; e) przechylne z poprzeczna poziomnicą. 3) Lunety autokolimacyjne.

17 LUNETY Lunety astronomiczne stosuje się przy justowaniu układów bezogniskowych do ustawiania siatki (znaczników) płytki ogniskowej w płaszczyźnie ogniskowej obrazowej obiektywu. Obiektywy lunet astronomicznych mają ogniskową mm i średnicę czynną równą 1/15 do 1/10 ogniskowej. Najczęściej stosowane są lunety o powiększeniach 30-60x i polu widzenia w granicach 1.

18 LUNETY Lunetki pomocnicze stosuje się w celu zwiększenia powiększenia układu obserwacyjnego. Zbudowane są z aplanatycznego obiektywu Ob, okularu Ok i płytki ogniskowej P. Typowe powiększenia takich lunetek to 3-6 x. Przesuw dioptryjny okularu w zakresie ±5 dioptrii. Pole widzenia wynosi ok. 8.

19 LUNETY Lunetki dioptryjne używa się do określania zbieżności (dioptryjności) padających na jej obiektyw pęków promieni, do ustawienia zerowego położenia okularu, sprawdzenia działek podziałki dioptryjnej okularu oraz sprawdzenia paralaksy. Lunetki dioptryjne mają obiektywy o niewielkim powiększeniu (4-5 x ) i okulary o średnim powiększeniu (10-15 x ). Ogniskowania lunetki dokonuje się przesuwem obiektywu względem nieruchomej płytki ogniskowej i okularu, utrzymując w płaszczyźnie krzyża ostry obraz obserwowanego przedmiotu.

20 LUNETY Lunetki centrowane używane są do ustawiania równolegle lub prostopadle do siebie płaszczyzn a także do ustawiania osi kolimatorów lub lunet równolegle lub prostopadle do bazowych płaszczyzn. Lunetki centrowane posiadają przesuwny obiektyw lub płytkę, osadzone w mimośrodowych oprawach. Przesuwając płytkę ogniskową lub obiektyw w takiej oprawie można usunąć bicie obrazu dalekiego punktu względem krzyża celowniczego lunetki podczas obracania jej na szlifowanej pryzmie odniesienia.

21 LUNETY Lunetki podwójne stosuje się do sprawdzania osi dwuocznych instrumentów optycznych. Lunetka taka składa się z dwóch jednakowych lunetek o niewielkim powiększeniu (4-6 x ), umieszczonych we wspólnej obudowie. Osie obu lunetek ustawione są równoległe z dokładnością do 30 (jak poprzednio: dzięki mimośrodowym oprawom obiektywów). W jednej z lunetek znajduje się krzyż kreskowy, zaś w drugiej podobny krzyż z naniesionym polem tolerancji na równoległość osi instrumentów dwuocznych.

22 LUNETY Lunetki przechylne z poprzeczną poziomnicą stosuje się do pomiaru skręcenia obrazu, wnoszonego przez układy pryzmatyczne, a także do sprawdzania usytuowania kresek celowniczych przyrządów optycznych. Płytka ogniskowa takiej lunetki jest obracana z dokładnością do 1. Kąt pola widzenia lunetki wynosi do 40, zakres pomiaru skręcenia obrazu ±5 a błąd pomiaru nie przekracza 5.

23 LUNETY Luneta autokolimacyjna jest częścią składową wielu optycznych przyrządów pomiarowych (i nie tylko ). Stanowi ona zwykłą lunetę typu Keplera, która wskutek ODPOWIEDNIEGO oświetlenia jej płytki ogniskowej staje się jednocześnie kolimatorem. Płytka ogniskowa z naciętym na niej krzyżem K znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu lunety. Między płytką ogniskową a okularem znajduje się cienka płytka P, nachylona pod kątem 45 do osi lunety. Płytka ta oświetlona jest przez żarówkę Z tak, aby punkt zbieżności wiązki oświetlającej przypadał w ognisku obiektywu. Część promieni ulega odbiciu od płytki P i oświetla krzyż K.

24 LUNETY Jeśli przed obiektywem lunety ustawimy prostopadle do jej osi zwierciadło, to osiowy pęk promieni równoległych wróci tą samą drogą i utworzy autokolimacyjny obraz w płaszczyźnie krzyża K. Autokolimacyjny obraz krzyża i sam krzyż na płytce ogniskowej pokryją się. Jeśli natomiast zwierciadło Z nachylone jest pod małym kątem α, to pęk promieni odbitych odchyli się od kierunku promieni padających o kąt 2 α, czyli autokolimacyjny obraz środka krzyża znajdzie się w odległości: a 2 Odległość zwierciadła od lunety nie ma wpływu na położenie obrazu autokolimacyjnego (w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu)! DLACZEGO? f ' ob

25 LUNETY Zastosowanie lunet autokolimacyjnych: 1) (z płaskim zwierciadłem) pomiar niewielkiego kąta obrotu różnych elementów i do określenia wielkości przesunięć liniowych powodujących te obroty; 2) do badania urządzeń, które realizują równoległe przesunięcie (np. łoża tokarek, frezarek) przy pomocy lunety autokolimacyjnej i zwierciadła możemy ustawić szereg wzajemnie równoległych płaszczyzn (zaczynamy od najdalszej dlaczego?); 3) stosując pryzmat pentagonalny przesłaniający połowę obiektywu lunety, można ustawić dwie płaszczyzny prostopadle względem siebie.

26 LUNETY Jasność obrazu i zdolność rozdzielcza lunety autokolimacyjnej zależy od prawidłowego oświetlenia i dlatego stosuje się specjalne oświetlacze, złożone z żarówki i kondensora

27 LUNETY Jasność obrazu i zdolność rozdzielcza lunety autokolimacyjnej zależy od prawidłowego oświetlenia i dlatego stosuje się specjalne oświetlacze, złożone z żarówki i kondensora.

28 LUNETY AUTOKOLIMACYJNE UWAGA! Często nazywa się skrótowo kolimatorami celowniki kolimatorowe, wykorzystujące skolimowaną wiązkę światła jako znacznik celu. Ale to już zupełnie inna bajka

29 MIKROSKOPY Mikroskopów używa się do kontroli i pomiaru liniowych i kątowych wymiarów części, siatek płytek ogniskowych, podziałek, a także jako zespołów składowych przyrządów kontrolno-justerskich i mierniczych (np. do obserwacji skal pomiarowych). Głównymi częściami mikroskopu są: obiektyw, tworzący rzeczywisty, powiększony i odwrócony obraz przedmiotu oraz okular, przez który jak przez lupę obserwujemy obraz utworzony przez obiektyw. (Jaki obraz daje okular?). Główną cechą, charakteryzującą mikroskop, jest jego zdolność rozdzielcza, na którą decydujący wpływ ma obiektyw.

30 MIKROSKOPY Graniczną zdolność rozdzielczą obiektywu mikroskopowego: 2A wykorzystujemy przy powiększeniu mikroskopu G= 1000A, stosując skośne oświetlenie. (Co to A, λ? ) Przy oświetleniu poosiowym: A i powiększenie mikroskopu powinno wynosić G=500A. (Dlaczego dla oświetlenia skośnego zdolność rozdzielcza mogłaby być większa? A czemu wobec tego NIE stosuje się oświetlenia skośnego?) Średnica d źrenicy wyjściowej mikroskopu nie powinna być mniejsza niż 0,5 mm i większa niż 1 mm. Jej wielkość wyznacza się ze wzoru: d 500 A G

31 MIKROSKOPY Przy pomiarach (obserwacji) mikroskopowych, związanych z ustawieniem ostrości, główną rolę gra głębia ostrości mikroskopu (w przestrzeni przedmiotowej, dla obiektywów suchych ): t 0,037 GA Ważna jest też (zakres pomiarowy!) głębia akomodacji oka patrzącego przez mikroskop: t A 62, 5 Ak G gdzie Ak oznacza zakres akomodacji oka w dioptriach dla oka normalnego Ak=7 i wtedy: t A 440 [ mm ] G

32 MIKROSKOPY Do mikroskopów przyrządów mierniczych stosuje się najczęściej okulary typu Ramsdena, Huygensa, Kellnera oraz kompensacyjne i mikrometryczne.

33 MIKROSKOPY Mikroskop autokolimacyjny pracuje na zasadzie podobnej jak luneta autokolimacyjna.

34 MIKROSKOPY Prosty mikroskop biologiczny/laboratoryjny.

35 MIKROSKOP WARSZTATOWY Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

36 MIKROSKOP PROJEKCYJNY lanametr

37 OBIEKTYWY MIKROSKOPOWE Oznaczenia

38 OBIEKTYWY MIKROSKOPOWE Oznaczenia

39 OKULARY MIKROSKOPOWE Okular Huygensa Soczewki: - S 1 kolektywowa (decyduje o odwzorowaniu źrenicy wyjściowej mikroskopu w odpowiedniej odległości od okularu) - S 2 oczna (główna rola w powiększaniu obrazu pośredniego w mikroskopie) Obie soczewki razem tworzą układ rozpraszający (ujemny). Powiększenie wizualne <15 x pole widzenia 2w=45 Stosowany do obserwacji wizualnej oraz mikrofotografii

40 OKULARY MIKROSKOPOWE Okular Ramsdena Również dwie płasko-wypukłe soczewki ale umieszczone tak, że płaszczyzna przedmiotowa mieści się przed okularem. Jest to okular dodatni i można go używać jako lupy. W płaszczyźnie ogniskowej umieszcza się płytkę ogniskową ze skalą. Jeżeli płytka ogniskowa przesuwana jest śrubą mikrometryczną, taki okular nazywa się mikrometrycznym.

41 OKULARY MIKROSKOPOWE Okular Kellnera Rozwinięcie układu Ramsdena soczewka oczna jest sklejona z dwóch soczewek, co powoduje lepszą achromatyzację i mniejszą dystorsję.

42 OKULARY MIKROSKOPOWE Okular ortoskopowy Odmiana układu Huygensa o większym polu widzenia oraz lepiej skorygowanych: aberracji chromatycznej powiększenia, astygmatyzmie i dystorsji.

43 OKULARY MIKROMETRYCZNE Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak W mikroskopach pomiarowych stosuje się okulary mikrometryczne. Cztery podstawowe typy okularów mikrometrycznych: 1) śrubowe; 2) spiralne; 3) klinowe; 4) okulary z podziałkami.

44 OKULARY MIKROMETRYCZNE Śrubowe okulary mikrometryczne stosuje się w tych przypadkach, w których konieczne jest wykonanie pomiarów liniowych oglądanych przez mikroskop przedmiotów. W okularach tych przesuwanie płytki z naniesionym bisektorem odbywa się za pomocą śruby mikrometrycznej.

45 OKULARY MIKROMETRYCZNE Spiralny okular mikrometryczny firmy Zeiss posiada wewnątrz obudowy dwie płytki: obrotową i nieruchomą. Na płytce obrotowej naniesiona jest metodą fotograficzną spirala Archimedesa oraz tarczka mikronowa podzielona na 100 działek elementarnych.

46 OKULARY MIKROMETRYCZNE Klinowy okular precyzyjny firmy Leitz:

47 PŁYTKI OGNISKOWE Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

48 PŁYTKI OGNISKOWE Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

49 TESTY ZDOLNOŚCI ROZDZIELCZEJ Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

50 TESTY ZDOLNOŚCI ROZDZIELCZEJ Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

51 GONIOMETR Goniometr służy do pomiaru kątów dwuściennych pryzmatów i kryształów, do pomiaru kątowej odległości linii widmowych itp.

52 GONIOMETR Urządzenie odczytowe kręgu (dwa mikroskopy) jest sztywno związane z ramieniem lunety. Stosuje się dwa przeciwległe układy odczytowe, które eliminują błędy niecentryczności podziału względem osi obrotu kręgu.

53 GONIOMETR Goniometr z 1912 r.

54 GONIOMETR Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

55 POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE Poziomnice:

56 POZIOMNICE Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

57 POZIOMNICE LASEROWE Ale takich się nie stosuje w przyrządach optycznych

58 POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE Pryzmaty pentagonalne: pryzmat pięciokątny. Wpadające światło, odbija się od 2 płaszczyzn, nachylonych do siebie pod kątem 45 stopni, dzięki czemu obraz jest prosty. W pryzmacie tym, ze względu na niewielki kąt padania światła, nie zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie. Zamiast tego ścianki pokryte są powłoką odbijającą światło.

59 POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE Pryzmat rombowy służy do równoległego przesunięcia pęku promieni (w przekroju romb, złożenie dwóch pryzmatów prostokątnych).

60 POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE Płytka płasko-równoległa stosowana najczęściej przy pracach z lunetami autokolimacyjnymi. Szkła okularowe w zakresie od ±0,25 do ±5 dioptrii stosuje się przy sprawdzaniu podziałki dioptryjnej okularów. Soczewki długoogniskowe służące do oglądania przez lunety blisko położonych przedmiotów. Soczewki takie wykonuje się jako płasko-wypukłe o ogniskowej 2,5 i 10 m. Lupy używane do oglądania małych części, przy urządzeniach odczytowych w noniuszem itp. Najczęściej stosowane są lupy achromatyczne, o powiększeniu 5-6 x.

61 POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE Dynametry są to przyrządy stosowane przy pomiarach źrenic wyjściowych instrumentów optycznych, odległości źrenic od ostatniej powierzchni układu optycznego okularu, a także pośrednio do pomiaru powiększenia lunet. Dynametr Ramsdena składa się z achromatycznej lupy o powiększeniu 10x umieszczonej w przesuwnej obudowie, na końcu której umieszczona jest diafragma z otworkiem. W stałej części obudowy umieszczona jest płytka ogniskowa z podziałką.

62 ŁAWA OPTYCZNA Służy do zestawiania potrzebnych układów optycznych.

63 STÓŁ OPTYCZNY Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak