Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по курсу

Приборы и методы визуального и оптического контроля

Тема проекта

Разработка шлирен-проектора для контроля объективов

Работу выполнил:

Белявский В.Д.

Содержание

1. Анализ исходных данных и характеристик объекта контроля

2. Анализ современного состояния вопроса проектирования

3. Разработка оптико-механической системы

4. Расчет освещенности в области экрана

5. Выводы по результатам проектирования

Список использованных источников

Введение

Оптический контроль основан на анализе взаимодействия оптического излучения с объектами контроля. В качестве объектов контроля могут служить материалы и изделия, технологические процессы и параметры окружающей среды.

Для получения измерительной информации об объекте контроля используют изменение параметров, описывающих световое излучение при его взаимодействии с объектом контроля. Это следующие параметры: пространственно - временное распределение амплитуды, изменение частоты, фазы, поляризации и степени когерентности оптического излучения. Изменение этих параметров при взаимодействии с объектами контроля происходит в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, отражения, преломления, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также при изменении параметров самого объекта контроля в результате нелинейных явлений фотопроводимости, люминесценции, фотохроизма, электрооптических, механооптических, магнитооптических, акустооптических и других эффектов.

1. Анализ исходных данных и характеристик объекта контроля

Темой курсового проекта является разработка шлирен-проектора для контроля объективов. Источником света для проектора является галогеновая лампа К2Н12 - 100 - 6 мощностью 100Вт. Напряжение питания такой лампы составляет 12В, световой поток - 1000 Лм, продолжительность горения - 50 часов. Диаметр контролируемых объективов изменяется от 5 до 15 см, а фокусное расстояние - от 5 до 30 см.

Данный метод контроля основан на визуальном наблюдении светового пятна, полученного на экране, при прохождении светового пучка от источника света (галогеновой лампы) через систему линз, в том числе через контролируемый объектив.

2. Анализ современного состояния вопроса проектирования

В практике оптического контроля для построения приборов контроля используют различные элементы и устройства, образующие наиболее важный узел оптико-электронных приборов - оптическую систему.

К простейшим проекционным приборам относятся широко распространенные эпи- и диаскопические приборы различных конструкций. Они должны обеспечивать на экране хорошее качество изображения проектируемого объекта в нужном масштабе, на заданном расстоянии от прибора и с достаточной освещенностью, равномерной по всему полю. Выполнение этих требований зависит главным образом от качества проекционного объектива и осветительной системы. В процессе сборки следует обеспечить в основном центрировку объектива, конденсора и источника света и правильное их взаимное положение относительно проектируемого объекта. К приборам такого типа относятся и проекционные контрольно-измерительные приборы, которые позволяют сравнивать на экране изображение контуров контролируемого объекта с эталонным контуром, нанесенном на экране. Величина отклонений параметров контролируемой детали определяется в этом случае или по полю допуска, изображенного на экране, или при помощи оценки перемещения стола, на котором закреплена деталь[5].

В качестве искусственных источников излучения в спектральных приборах используют газовый разряд различных видов, пламя, тепловые излучатели, спектральные высокочастотные газовые и парометаллические лампы, лазеры и т. п. Тип источника и его характеристики выбираются исходя из задач измерений и параметров спектрального прибора. Источниками оптического излучения являются также естественные излучатели - атмосфера, планеты, звезды, фоны.

Источники бывают: сплошного излучения, линейчатого излучения, излучения в вакуумной УФ области излучения в средневолновой и длинноволновой ИК областях и естественные. Источники сплошного излучения широко применяются в спектральных приборах, предназначенных для измерения спектров поглощения и отражения. Наибольшее распространение получили тепловые излучатели (лампы накаливания), водородные газоразрядные лампы, дуговые газоразрядные ртутные и ксеноновые лампы сверхвысокого давления, импульсные источники сплошного спектра, лазерная искра. Под тепловым излучением понимается электромагнитное излучение, испускаемое телом, вещество которого находится в состоянии термодинамического равновесия и характеризуется определенной температурой. Дуговые газоразрядные лампы сверхвысокого давления - лампы, основанные на использовании дугового разряда в парах ртути или инертных газов (чаще всего ксенона). Основная область применения источников линейчатого излучения - атомная и атомно-абсорбционная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, градуировка спектральных приборов. Рассмотрим наиболее распространенные виды ламп с линейчатым спектром.

Гейслеровские трубки - лампы, представляющие собой колбы с металлическими электродами, наполненными инертными газами. Они работают при низком давлении. В качестве источника используется излучения положительного столба тлеющего разряда, проходящего через узкий капилляр, при напряжении на электродах до 2- 3 кВ и токе 1- 100 мА. Преимуществом гейслеровских трубок являются простота, высокая интенсивность излучаемых линий и их малая ширина. Дуговые парометаллические лампы - лампы, состоящие из небольшой разрядной трубки, заключенной внутри цилиндрической колбы. Разрядные трубки заполняются аргоном и небольшим количеством какого-либо металла. В колбе поддерживается давление ~10 Па, что обеспечивает постоянство разряда. Лампы с полыми катодами - лампы имеющие особенность, что их катод изготовляется в форме полого цилиндра, внутри которого при определенном токе и давлении концентрируется все отрицательное свечение тлеющего разряда. Это приводит к существенному повышению яркости излучения, содержащего интенсивные и узкие линии металла, из которого сделан катод. Промышленность выпускает лампы и полые катоды, изготовляемые из алюминия, хрома, меди, железа, никеля и других металлов. Лампы наполняются неоном при давлении ~ 400 Па, что способствует наиболее яркому свечению разряда. Лампы с полым катодом находят широкое применение в качестве источников спектров сравнения, стандартов длин волн и интенсивностей, а также при атомно-абсорбционном анализе. Лампа с высокочастотным возбуждением - лампа представляющая собой трубку, в которой возбуждается газовый разряд под воздействием электрического поля высокой частоты (10- 10 МГц), создаваемому как с помощью электродов, введенных внутрь трубки, так и без них. Резонансная лампа. В этой лампе излучение возбуждается оптическим путем. Лампа представляет собой стеклянную или кварцевую колбу, заполненную парами исследуемого металла при низком давлении. При освещении колбы светом газоразрядной лампы, содержащей пары содержащей пары того же металла что и резонансная лампа, последняя излучает поглощения резонансного излучения. В лампах такого типа можно наблюдать резонансные линии щелочных металлов. Среди источников линейчатого спектра необходимо особо отметить газовые лазеры. Чрезвычайно малая ширина генерируемых ими линий (10 - 10 нм) позволяет использовать их в качестве источников '' идеально '' монохроматического излучения при измерении формы и ширины аппаратных функций спектральных приборов высокой разрешающей способности. При спектральных измерениях находят также применение жидкостные лазеры, в которых в качестве активной среды чаще всего используются растворы сложных органических красителей. При спектральных измерениях в вакуумной УФ области спектра используют водородные лампы, лампы со сплошным излучением инертных газов, ксеноновые и криптоновые резонансные лампы. Водородные лампы излучают спектр, состоящий в вакуумной УФ области из сплошного спектра (континуума) при длинах волн более 170 нм, многолинейчатого молекулярного спектра и резонансных линий атомарного водорода с длинноволновой линией 121 нм. Для исследования спектров поглощения используется излучение разряда инертных газов - аргона, криптона и ксенона, - возбуждаемых с помощью высокочастотного разряда. Для фотохимических исследований применяются ксеноновые и криптоновые резонансные лампы, содержащие в вакуумной УФ области только одну или две резонансные линии, излучаемые в дуговом или тлеющем разряде при малой плотности тока или в безэлектродном разряде при низком давлении газа. Источники излучения в средневолновой и длинноволновой их областях. Особенность источников средневолнового (1,5 - 20 мкм) и длинноволнового (20 - 1000 мкм) диапазонов заключается в малой интенсивности их излучения. В средней ИК-области используются тепловые излучатели - штифт Нерста и глобар. Штифт Нерста представляет собой спрессованный и прокаленный при высокой температуре стержень из смеси порошков окиси циркония и окиси иттрия. Глобар - это спрессованный из карбида кремния и подвергнутый обжигу сплошной стержень длиной 5- 10 см с утолщенными концами, обжимаемыми металлическими электродами. Излучение некоторых естественных источников. Естественные источники - Солнце, Луна, звезды, планеты, поверхность Земли, облака - являются объектами спектроскопического исследования. Спектральная щель в призменных и дифракционных приборах спектральная щель является одним из основных элементов, так как образующийся на выходе приборов спектр представляет собой дискретную или непрерывную совокупность изображений щели. К спектральной щели предъявляется ряд требований. Ее ширина должна быть постоянной и выдерживаться с погрешностью не более 10%. Ножи щели должны лежать в одной плоскости, перпендикулярной оптической оси прибора. Раскрытие щели должно быть симметричным относительно начального положения. В отечественных спектральных приборах преимущественно используется унифицированная щель УФ -2, образованная двумя ножами. Раскрытие щели осуществляется с помощью кулачкового механизма, закрытие - с помощью пластинчатых пружин. Цена деления барабана, устанавливающего щели, 0,001 мм, диапазон измерения ширины 0- 4 мм. Освещение щели бывает безлинзовое или с помощью конденсоров. Наиболее простой способ освещения щели - безлинзовый, т. е. без применения специальной осветительной системы. Конденсор представляет собой линзу (или систему линз), служащую для освещения щели. Задача конденсора - увеличить угловые размеры источника, освещающего щель.

Объектив, обращенная к объекту часть оптической системы или самостоятельная оптическая система, формирующая действительное изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают визуально в окуляр, либо получают на плоской (реже искривленной) поверхности (фотографического светочувствительного слоя, фотокатода передающей телевизионной трубки или электронно-оптического преобразователя, матового стекла или экрана). Конструктивно объектив могут быть разделены на три класса: наиболее распространённые линзовые (рефракторы, диоптрические); зеркальные (рефлекторы, катоптрические); зеркально - линзовые (катадиоптрические по назначению объективы делятся: на объективы зрительных труб и телескопов, которые дают уменьшенное изображение; объективы микроскопов - увеличенное изображение; фотографические и проекционные объективы, дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение. Важнейшими оптическими характеристиками объектива являются: фокусное расстояние, которое при заданном удалении объекта от объектива определяет оптическое увеличение объектива; диаметр входного зрачка объектива; относительное отверстие и выражающаяся через него светосила объектива; поле зрения объектива. Качество формируемого объективом изображения характеризуют: разрешающая способность объектива, коэффициент передачи контраста, коэффициенты интегрального и спектрального пропускания света, коэффициент светорассеяния в объективе, падение освещённости по полю изображения.

Объективы зрительных труб и телескопов. Расстояние до объектов, изображаемых такими объективами, предполагается очень (практически бесконечно) большим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угловыми размерами. Соответственно, характеристиками объективов данной группы служат угловое увеличение, угловая разрешающая способность a и угол поля зрения

По назначению фотографические объективы разделяют на объективы, применяемые в любительской и профессиональной фотографии и кинематографии, репродукционные, телевизионные, аэрофотосъёмочные, флюорографические, астрографические и др., а также объективы для невидимых областей спектра - инфракрасной и ультрафиолетовой. Среди объективов одного и того же назначения различают нормальные, или универсальные, светосильные, широкоугольные и длиннофокусные, или телеобъективы. Наиболее широко используются нормальные (универсальные) объективы. Это, как правило, анастигматы, обеспечивающие резкое плоское изображение при умеренно большом относительном отверстии и поле зрения. Их фокусные расстояния ~ 40- 150 мм, относительные отверстия - 1: 1,8 - 1: 4, угол поля зрения в среднем около 50

Светосильные объективы с относительными отверстиями от 1: 1,8 до 1: 0,9 (в некоторых конструкциях, в частности в зеркально - линзовых,- до 1 : 0,8) используют для фотографирования в условиях пониженной освещённости ; их поле зрения обычно меньше, чем у универсальных.

Широкоугольные объективы обладают углом поля зрения, превышающим 60⁰ и доходящим у некоторых из них до 180⁰. Особенно важную роль такие объективы играют в аэрофотосъёмке. Фокусные расстояния широкоугольных объективов обычно в пределах от 100 до 500 мм; их относительного отверстия характеризуются средними и малыми значениями (1 : 5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие аберрации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. Объектив с исправленной дисторсией называется ортоскопическими. У объективов с углом поля зрения, приближающимся к 180° (от около 120° до 180°), дисторсию не исправляют (она отчасти может быть исправлена при печатании снимков специальными объективами). Для формируемых этими объективами изображений характерны значительные перспективные искажения. Такие объективы применяются, например, для создания особых композиций при фотосъёмке архитектурных ансамблей и ландшафтов. Чем больше поле зрения, тем более резко к его краю падает освещённость изображения (пропорционально косинусу четвёртой степени от половины угла поля зрения). В объективе для любительской и профессиональной фотографии неравномерность освещённости корригируется при расчёте аберраций объектива; у других типов фотообъективов освещённость выравнивается с помощью специальных фильтров. К длиннофокусным относятся объективам, фокусное расстояние которых превышает трёхкратную величину линейного поля зрения (для большей части фотографических объективов это 100- 2000 мм).

Длиннофокусные объективы применяются для съёмки удалённых объектов в крупном масштабе; их поле зрения обычно менее 30 о, а относительное отверстие не превышает 1: 4,5 - 1: 5,6. Одинаково хорошее исправление всех аберраций фотографических объективов представляет собой чрезвычайно трудную задачу, особенно у светосильных, широкоугольных и специальных объективов.

Поэтому находят компромиссные решения, меняя требования к исправлению аберраций в зависимости от назначения объектива: например, в светосильных фотографических объективах менее тщательно исправляют т. н. полевые аберрации, но при этом уменьшают поле зрения; в случае объектива с большими фокусными расстояниями принимают особые меры для исправления хроматических аберраций и т. д. Выбор освещённости в плоскости изображения фотообъектива зависит от яркости объекта, чувствительности фотоматериала или иного приёмника света и требуемой глубины изображаемого пространства (глубины резкости).

Изменение освещённости осуществляется путём изменения относительного отверстия объектива с помощью диафрагмы переменного диаметра, например ирисовой диафрагмы. На оправе объектива имеется шкала, по которой устанавливают нужное относительное отверстие (характеризуя объектив, обычно указывают максимальное значение этого отверстия). Освещённость плоскости изображения пропорциональна квадрату отношения диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию - т. н. геометрической светосиле объектива. Умножение этой величины на коэффициент, определяемый потерями световой энергии при прохождении через объектив (на поглощение в толще стекла и отражение от оптических поверхностей), даёт физическую светосилу объектива. Для увеличения физической светосилы (т. е. для уменьшения потерь света) современные фотографические объективы просветляют (см. Просветление оптики). Подбор специальных просветляющих - однослойных и многослойных - покрытий позволяет не только повысить интегральное пропускание объектива, но и сбалансировать спектральное пропускание в соответствии со спектральной чувствительностью трёх слоев цветной обратимой плёнки. Это обеспечивает правильное воспроизведение цветов объектов, изображаемых на таких плёнках. Широко применяются т. н. панкреатические объективы с переменным фокусным расстоянием (таковы многие киносъёмочные объективы); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отдельных компонентов объектива, при котором его относительное отверстие обычно остаётся неизменным. Подобные объективы, в частности, позволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смещении компонент объектива и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскостей объектива). По своим оптико-коррекционным свойствам объективы с переменным фокусным расстоянием делятся на две группы:

1) вариообъективы, оптическая схема которых корригируется в отношении всех аберраций как единое целое;

2) трансфокаторы - системы, состоящие из собственно объектива и устанавливаемой перед ним фокальной насадки, аберрации которой исправляются отдельно Получение изображений высокого качества в панкреатическом объективе достигается за счёт увеличения числа линз и компонент.

Такие объективы - сложные системы, состоящие из 11- 20 линз. Проекционные объективы однотипны с фотографическими, отличаясь от них в принципе лишь обратным направлением лучей света. По типу проекции они делятся на объективы для диапроекции в проходящем свете и объективы для эпипроекции в отражённом свете. Особую подгруппу, также относимую к фотообъективам, составляют репродукционные объективы, применяемые для получения изображений плоских предметов, чертежей, карт и т.п. Проекционные объективы, репродукционные объективы и фотообъективы, используемые на малых удалениях от объекта, характеризуют не угловым, а линейным увеличением (масштабом изображения в собственном смысле), линейными размерами поля зрения и числовой апертурой. В этом отношении они сходны с объективами микроскопов. Объективы микроскопов отличает расположение в непосредственной близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики - от 30- 40 мм до 2 мм.

Особые группы объективов составляют: объективы спектральных приборов, по свойствам во многом близкие к фотографическим объективам; специальные объективы, предназначенные для использования с лазерами и т. д.

3. Разработка оптико-механической системы

Расчет параметров оптической системы

Для телескопической системы использованы линзы марок 01LDX115 с фокусным расстоянием и диаметром и 01LDX213 с и ./2/ Коэффициент увеличения этой системы . Главным условием телескопической системы является совмещение заднего фокуса объектива с передним фокусом окуляра. Следовательно, расстояние между этими системами линз должно быть

. (3.1)

Для приемной части устройства использованы две линзы типа 01LDX115 с фокусным расстоянием и диаметром ./2/

Расстояние от лампы до центра первой линзы и от центра линзы до дифракционной решетки будет одинаковое и составит

(3.2)

Расстояние от дифракционной решетки до центра второй линзы и от контролируемого объектива до шторки составляет

(3.3)

Разработка оптико-механической схемы

Контроль качества объективов проводится на основе анализа световой тени, которая падает на экран от контролируемого объектива. Источником излучения является галогеновая лампа, которую мы берем, так как она является мощным источником белого света, что необходимо при визуальном наблюдении в данном проекторе.

Проектор состоит из трех частей: источника излучения, системы линз и экрана, на котором проецируется изображение светового пучка, прошедшего через контролируемый объектив, в виде пятна. Визуально наблюдая размеры и качество пятна можно оценить качество объектива.

Галогеновая лампа (поз.21) закреплена в патроне (поз.10), за ней стоит отражатель (поз.23), который закреплён гайкой М60х0,5(поз.25). Лампа охлаждается кулером (поз. 24) Патрон закреплен в корпусе (поз.4), который установлен на передвижную площадку (поз.11), и крепится к ней с помощью 4 винтов М6х1 ГОСТ 1491-80 (поз.22).

Галогеновая лампа не является точечным источником, поэтому мы используем линзы 01LDX115 (поз.19), которые прижимаются к корпусу гайкой М72х0,5 (поз. 17) и шторку с отверстием, которая прижимается к корпусу гайкой М50х0,5 (поз.13). Линзу 01LDX213 (поз.6) прижимается гайкой М160х1, а уже после этой линзы мы получаем параллельный пучок света.

Контролируемый объектив крепится в установке (поз. 8), которая регулируется ручкой (поз. 15) для выбора диаметра объектива.

Шторка (поз.14) регулируется ручкой (поз.7).

Объектив (поз.3) крепится на площадку (поз.26) с помощью 4 винтов М6х1 ГОСТ 1491-80 (поз.27).

Описание установки в динамике

Пучок света, излучаемый лампой, направленный отражателем, попадает на систему линз 01LDX115. Для проведения качественного контроля необходимо получить параллельный пучок света, а для этого необходим точечный источник света. При прохождении света через шторку мы получим точечный источник света. Далее свет попадает на линзу 01LDX213, а уже после этой линзы мы получаем параллельный пучок света.

Дальше полученный параллельный пучок света проходит через контролируемый объектив, преломляется, проходит через объектив позиции 3, и попадает на экран. Шторка ставится обязательно на фокусном расстоянии от контролируемого объектива, а также на фокусном расстоянии от объектива позиции 3.

4. Расчет освещенности в области экрана

При ведении контроля объективов световой поток от галогеновой лампы проходит через систему линз, в том числе через контролируемый объектив, и попадает на экран.

По качеству пятна на экране, наличию неравномерного освещения, правильности формы пятна, при перекрывании светового пучка шторкой, можно судить о качестве контролируемого объектива. Нам необходимо рассчитать освещенность в области экрана.

Световой поток, падающий на линзу без отражателя, находится по формуле:

, (4.1)

где Ф_л - световой поток, излучаемый лампой;

щ - телесный угол, в котором распространяется этот поток.

Телесный угол рассчитывается по формуле:

(4.2)

где - диаметр линзы, мм;

f - фокусное расстояние линзы.

Световой поток, падающий на линзу от отражателя, найдем по формуле:

(4.3)

где Ф_л - световой поток, излучаемый лампой;

- диаметр линзы, мм;

- диаметр отражателя, мм;

Найдем суммарный поток, падающий на линзу:

(4.4)

где - световой поток, падающий на линзу без отражателя;

- световой поток, падающий на линзу от отражателя.

Найдем поток излучения, который падает на экран.

(4.5)

где - поток излучения галогеновой лампы,

К = 0.99 - коэффициент пропускания просветленной линзы, так как у нас пять линз, то этот коэффициент берем в десятой степени (в квадрате для каждой линзы).

Найдем освещенность в области экрана.

(4.6)

где - площадь засвеченной части экрана.

- поток излучения галогеновой лампы

Выводы по результатам проектирования

В данной курсовой работе мы разработали шлирен-проектор для контроля качества объективов, а также рассчитали освещенность в области экрана. Данное устройство позволяет визуально наблюдать качество объектива, на экране можно сразу увидеть практически любой недостаток линз: различные аберрации, неоднородности и др.

Список использованных источников

1.Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий.В 2-х книгах. Кн. 1/под редакцией В.В. Клюева. -2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение,1986. - 488 с.: ил.

2.Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроениию. - Л.: Машиностроение. Ленинградская отд - ние, 1978.

3.Джон Реди. Промышленное применение лазеров. - М.:МИР, в пер. с англ. В.А. Афанасьева. 1981. - 638 с.: ил.

4.Крылов К.И. и др. Основы лазерной техники: Учеб. пособие для студентов приборостроительных спец. ВУЗов / К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. - Л.: Машиностроение. Ленинградская издание, 1990. - 316 с.: ил.

5.Сергеев С.С. Приборы и методы оптического, теплового и радиоволнового контроля. Оптические приборы и системы контроля. Методические указания к курсовой работе для студентов.

Размещено на Allbest.ru