Wykład 3 - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak
POMIARY OPTYCZNE 1
Wykład 3
Przyrządy i elementy przyrządów
używane w pomiarach optycznych
Katedra Optyki i Fotoniki
Wydział Podstawowych Problemów Techniki
Politechnika Wrocławska
Pokój 18/11 bud. A-1
http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/pomiary_optyczne_1.html
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”?!
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?).
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?)
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).
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.
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).
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).
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.
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.
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.
140"

D
60"

G

- fizykalna (wynikająca z falowej natury światła) zdolność rozdzielcza lunety wyrażona w sekundach;
D
- średnica źrenicy wejściowej lunety w mm;

G
- fizjologiczna zdolność rozdzielcza lunety (skąd te 60”?);
- powiększenie wizualne lunety;
(A jaka jest naprawdę zdolność rozdzielcza konkretnej lunety?);
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.
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.
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:
 

G
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:
0,6
T 
GD
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.
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 400-1200 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°.
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 3-6x. Przesuw dioptryjny okularu w
zakresie ±5 dioptrii. Pole widzenia wynosi ok. 8°.
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 (4-5x) i
okulary o średnim powiększeniu (10-15x).
 Ogniskowania lunetki dokonuje się przesuwem obiektywu względem
nieruchomej płytki ogniskowej i okularu, utrzymując w płaszczyźnie krzyża
ostry obraz obserwowanego przedmiotu.
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.
LUNETY
 Lunetki podwójne stosuje się do sprawdzania osi dwuocznych
instrumentów optycznych.
 Lunetka taka składa się z dwóch
jednakowych lunetek o niewielkim
powiększeniu (4-6x), 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.
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’.
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.
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 2α, czyli autokolimacyjny
obraz środka krzyża znajdzie się w odległości:
a  2  f 'ob
 Odległość zwierciadła od lunety nie ma wpływu na położenie obrazu
autokolimacyjnego (w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu)! DLACZEGO?
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.
LUNETY
 Jasność obrazu i zdolność rozdzielcza lunety autokolimacyjnej zależy od
prawidłowego oświetlenia i dlatego stosuje się specjalne oświetlacze,
złożone z żarówki i kondensora
LUNETY
 Jasność obrazu i zdolność rozdzielcza lunety autokolimacyjnej zależy od prawidłowego
oświetlenia i dlatego stosuje się specjalne oświetlacze, złożone z żarówki i kondensora.
LUNETY AUTOKOLIMACYJNE
 UWAGA! Często nazywa się skrótowo kolimatorami celowniki
kolimatorowe, wykorzystujące skolimowaną wiązkę światła jako znacznik
celu.
 Ale to już zupełnie inna bajka…
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.
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
MIKROSKOPY
 Przy pomiarach (obserwacji) mikroskopowych, związanych z ustawieniem
ostrości, główną rolę gra głębia ostrości mikroskopu (w przestrzeni
przedmiotowej, dla obiektywów „suchych”):
0,037
t
GA
 Ważna jest też (zakres pomiarowy!) głębia akomodacji oka patrzącego
przez mikroskop:
Ak
t A  62,5
G
gdzie Ak oznacza zakres akomodacji oka w dioptriach – dla oka normalnego Ak=7 i
wtedy:
tA 
440
[mm]
G
MIKROSKOPY
 Do mikroskopów przyrządów
mierniczych stosuje się najczęściej
okulary typu Ramsdena, Huygensa,
Kellnera oraz kompensacyjne i
mikrometryczne.
MIKROSKOPY
 Mikroskop autokolimacyjny pracuje na zasadzie podobnej jak luneta
autokolimacyjna.
MIKROSKOPY
 Prosty mikroskop biologiczny/laboratoryjny.
MIKROSKOP WARSZTATOWY
MIKROSKOP PROJEKCYJNY
lanametr
OKULARY MIKROMETRYCZNE
 W mikroskopach pomiarowych stosuje się okulary mikrometryczne.
Cztery podstawowe typy okularów mikrometrycznych:
1) śrubowe;
2) spiralne;
3) klinowe;
4) okulary z podziałkami.
 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.
 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.
 Klinowy okular precyzyjny firmy Leitz:
PŁYTKI OGNISKOWE
PŁYTKI OGNISKOWE
TESTY ZDOLNOŚCI ROZDZIELCZEJ
TESTY ZDOLNOŚCI ROZDZIELCZEJ
GONIOMETR
 Goniometr służy do pomiaru kątów dwuściennych pryzmatów i
kryształów, do pomiaru kątowej odległości linii widmowych itp.
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.
GONIOMETR
Goniometr z 1912 r.
GONIOMETR
POMOCNICZE PRZYRZĄDY KONTROLNE
 Poziomnice:
POZIOMNICE
POZIOMNICE LASEROWE
Ale takich się nie stosuje w przyrządach optycznych…
 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.
 Pryzmat rombowy – służy do równoległego przesunięcia pęku promieni
(w przekroju romb, złożenie dwóch pryzmatów prostokątnych).
 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 5-6x.
 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.
ŁAWA OPTYCZNA
 Służy do zestawiania potrzebnych układów optycznych.
STÓŁ OPTYCZNY

Wykład 3 - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Podobne dokumenty

kultura w dialogu artur klinaú: białoruskie fenomeny

"Sowy Polski" Niepowtarzalny materiał dokumentalny z życia sów

Dynamika punktu materialnego

Grawitacja - Instytut Fizyki

Podstawy Astronomii Lista 7