Комплексный контроль целевых показателей качества микрообъективов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексный контроль целевых показателей качества микрообъективов

П.А. Белойван

Университет ИТМО

В данной работе рассматривается проблема контроля целевых показателей качества микрообъективов. Проанализированы существующие методы контроля, выявлена и обоснована необходимость создания многофункционального контрольно-юстировочного прибора. Разработана функциональная схема, произведено макетирование и экспериментальный контроль целевых показателей качества микрообъективов.

Микроскоп - один из наиболее массово производимых оптических приборов. Одним из важнейших компонентов микроскопов являются микрообъективы, которые строят изображение предмета в фокальной плоскости окуляра или в плоскости ПЗС-матрицы. Обычно при работе микроскопа используется методика последовательного наведения, суть работы которого заключается в следующем: наведение на объект исследования осуществляется с помощью объектива искателя с небольшим увеличением и апертурой, после чего оператор переключает данный микрообъектив на объектив с большим увеличением и апертурой. Таким образом, современные микроскопы комплектуются поворотным револьвером с закрепленными в нем микрообъективами. При переключении от одного микрообъектива к другому возможно возникновение проблем, связанных со смещением и расфокусировкой изображения. В связи с вышесказанным на целевые показатели качества микрообъективов (МО) (высота и центровка рис.1) устанавливаются жесткие допуски, которые невозможно обеспечить точной обработкой деталей. Также устанавливаются жесткие допуски на качество изображения микрообъективов.

Для обеспечения показателей качества традиционно используется дополнительная обработка деталей и узлов, а так же юстировка МО [1, 2]. Обеспечение показателей качества изображения МО при их сборке осуществляется по дифракционному изображению точечной диафрагмы (рис.2).

Рис.1 Конструкция унифицированного микрообъектива. а - децентровка микрообъектива, b - высота микрообъектива.

контроль качество микрообъектив

Рис.2 Схема контроля качества изображения микрообъективов. 1- точечная диафрагма, 2- микрообъектив, 3 - ПЗС-камера, 4 - монитор.

Высоту и центровку обеспечивают подрезанием опорного торца на специальном станке [2,3]. Данный станок содержит полый шпиндель с патроном, на котором закрепляется микрообъектив, который можно наклонять относительно шпинделя. В качестве объекта наблюдения выступает сетка. Шкалу, устанавливают в плоскости изображения на номинальном расстоянии от сетки. Наблюдая в окуляр шкалу наклонами микрообъектива добиваются необходимого значения центровки, после чего осуществляется подрезка опорного торца микрообъектива резцом, закрепленным в суппорте станка. Расстояние от плоскости сетки до режущей кромки резца должно быть выставлено строго равным номинальному значению высоты микрообъектива.

Мероприятия по обеспечению целевых показателей качества оказываются весьма трудоемкими и выполняются на различном контрольно-юстировочном оборудовании. В связи с этим значительно повышается время изготовления и себестоимость МО. В рамках работ по автоматизации сборки МО для повышения объективности и производительности контроля показателей качества собранного МО, а так же для возможности выполнения необходимых юстировок без применения дополнительной обработки деталей нами разрабатывается универсальный стенд, позволяющий осуществлять контроль целевых показателей качества унифицированных МО (рис.2) [4].
Схема стенда приведена на рисунке 3.

Рис. 3 Модель автоматизированного стенда

Он содержит эталонный тубус 1, на который устанавливается МО 2, предметный стол, содержащий освещаемую точечную диафрагму или марку 3, перемещаемый высокоточным отсчетным позиционером 4. Также стенд содержит ПЗС-камеру 5 и включающуюся при необходимости в ход лучей тубусную линзу 6.

Контроль качества изображения осуществляется по дифракционному изображению точки. Измерения проводятся следующим образом: на тубус устанавливается контролируемый микрообъектив, на предметном столе устанавливается точечная диафрагма. ПЗС-камера выставляется на расстояние, соответствующее тубусу микрообъектива. При необходимости в ход лучей вводится тубусная линза. Передвижением предметного стола с помощью позиционера следует добиться дифракционного изображения диафрагмы на матрице ПЗС-камеры. Если качество изображения не удовлетворительно - следует приступить к юстировке МО.

При контроле высоты и центровки на данном стенде используется сравнительный метод. На тубус 1 устанавливается эталонный МО 2 по которому определяется номинальное значение высоты позиционера 4 и расположение изображения марки 3 на ПЗС-матрице 5. Затем на тубус устанавливается контролируемый МО 2 и по отсчетам положения позиционера 4 и координатам изображения марки 3 на ПЗС-матрице 5 определяется погрешность высоты и центровки. Если величины не входят в допуск выполняется юстировка контролируемого МО.

Юстировка высоты МО (рис. 1) осуществляется осевым сдвигом общей оправы 2 относительно корпуса 1 с помощью кольца 6. Юстировка центровки осуществляется взаимным разворотом общей оправы 2 относительно корпуса 1, благодаря эксцентриситету внутреннего отверстия в корпусе 1 относительно базового цилиндра Б и эксцентриситету внутреннего отверстия в общей оправе 2 относительно внешнего цилиндра.

Сравнительный метод измерения позволяет существенно повысить точность измерения, однако данное обстоятельство накладывает жесткие требования к изготовлению эталонного микрообъектива. Качество эталонного микрообъектива и юстировки самого стенда, особенно радиального и осевого положения его предметной сетки, должны обеспечивать трёхкратный метрологический запас по точности измерений погрешностей высоты и центровки контролируемого микрообъектива.

Нами был собран экспериментальный стенд, на котором производился контроль высоты серии микрообъективов, а так же контроль качества изображения. Контроль высоты микрообъективов производился на микрообъективах 40х0,65. Погрешность измерения высоты не превышала 4 мкм при величине погрешности наведения 0,7 мкм и обуславливалась недостаточной прочностью конструкции.

Контроль качества изображения осуществлялся на серии микрообъективов 20х0,4. В результате эксперимента был получен ряд дифракционных изображений точки (рис. 4), в котором наглядно видно наличие тех или иных аберраций. Следует отметить, что во всех полученных изображениях присутствует постоянная составляющая, вызванная аберрациями оптической системы стенда.

Рис. 4 Аберрации серии МО 20х0,4. Сферическая, астигматизм, кома

Достоинством применения ПЗС-матрицы в процессе контроля качества изображения является возможность количественной оценки относительной интенсивности главного и побочных максимумов. Данная операция может быть произведена в программе mathcad (рис. 5).

Рис. 5 Распределение интенсивности в дифракционном изображении точки при наличии сферической аберрации. По оси абсцисс отложен номер пикселя, по оси ординат - величина интенсивности в градациях серого.

В качестве развития разработанного стенда планируется усовершенствование конструкции, позволяющее производить измерение центровки. Так же планируется разработка схемы автоматизации производственного контроля.

Литература

1. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. -Л., Машиностроение, 1982, 238 с.

2. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. - СПб, Политехника, 2007, 580 с.

3. Скворцов Г.Е, Долинский И.М. Станок для юстировки и подгонки высоты микрообъективов. «Оптико-механическая промышленность», № 9, 1966, с. 17-20).

4. Латыев С.М. , Табачков А.Г., Фролов Д.Н., Резников А.С.

Унификация оптических и механических конструкций линзовых микрообъективов. «Приборостроение», №11, 2011, с.14-21.

5. Латыев С.М., Смирнов А.П., Табачков А.Г. , Фролов Д.Н. , Шухат Р.В. Проект линии автоматизированной сборки микрообъективов. «Приборостроение», №11, 2011, 7-13.

Размещено на Allbest.ru