Крепление оптических элементов.

Крепление поляризатора, анализатора и коллиматорной линзы можно осуществить можно проволочным кольцом (рис.2.2). Этот способ конструктивно прост и технологичен, но используется только для крепления круглых оптических деталей в наименее ответственных случаях, когда не предъявляется высоких требований к точности, надежности и герметичности соединения. К таким деталям относятся: светофильтры, защитные стекла, рассеиватели, небольшие круглые экраны, конденсорные линзы, осветительные зеркала.

Оптическая деталь находится между уступом оправы и выступающей частью проволочного кольца, помещенного в специальную канавку. Канавка обычно выполняется прямоугольного сечения. Ее ширина равна диаметру проволоки, глубина – половина диаметра. Для облегчения сборки, развернутая длина кольца должна быть такой, чтобы между его концами после установки в канавку оставался промежуток в несколько миллиметров. Наружный диаметр свободного кольца (до сборки) должен быть больше внутреннего диаметра канавки. Кольца изготавливаются из пружинной проволоки; ее диаметр (обычно 0, 5-1, 5мм) зависит от размера оптической детали. Во избежание выколок, сопряжение оптической детали и кольца должно осуществляться по поверхности ее фаски. Ввиду наличий отклонений в размерах глубины расточки и ширины канавки в оправе, а также толщины детали по краю, это сопряжение возможно только с осевым зазором, в пределах которого оптическая деталь может смещаться и перекрашиваться [17].

Рис. 2.2. Крепление оптических деталей проволочным кольцом.

В соответствии с вышеизложенным выберем крепления в оправы данным методом для следующих элементов: коллиматорная линза, рассеиватель, поляризатор, анализатор (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3 Крепление проволочным кольцом: а) – коллиматорной линзы, б) – рассеивателя, в) – поляризатора.

Крепление проекционного объектива является ответственной задачей, ввиду этого проволочное кольцо применять нельзя. В данном случае могут использоваться следующие методы: крепление завальцовкой, крепление резьбовым кольцом.

При креплении завальцовкой оптическая деталь удерживается в оправе тонкой ее кромкой, которая приобретает свою конечную форму в результате пластического деформирования металла во время завальцовки. Такое крепление является неразъемным. Крепежная кромка оправы после завальцовки находится в сопряжении с конусной поверхностью специальной фаски, сошлифованной на детали под углом 45^о, при этом она не должна выступать за пределы фаски.

Рис. 2.4. Размеры элементов оправы для крепления завальцовкой

 

Диаметр опорного уступа d₂ определяется величиной светового диаметра рабочей поверхности детали, базирущейся на него. Глубина расточки оправы h определяется геометрией края линзы с учетом толщины краев, ширины фаски, величины d₂ и табличных данных.

Крепление завальцовкой применяется для оптических деталей диаметром до 80 мм и для склеенных блоков до 50 мм. Такое ограничение объясняется тем, что крепежная кромка предельной толщины в 0, 5 мм не в состоянии обеспечить необходимую надежность крепления для тяжелых деталей, в особенности при наличии перегрузок (вибрации, тряск, удары). Увеличить же толщину кромки невозможно, так как в процессе завальцовки могут появиться выколки по краю детали. Кроме того тонкая завальцованная кромка обладает пружинящими свойствами, обеспечивая необходимое силовое замыкание детали и оправы при отсутствии пережатий, а также хорошую компенсацию осевых температурных деформаций.

Материалы оправ при этом методе крепления должны обладать высокой пластичностью. Наилучшим является латунь ЛС59 1; применяются также: латунь Л62, дюралюминий марок Д1, Д6, Д16, низкоуглеродистые конструкционные стали (сталь 20, сталь 30) [18].

В случае крепления резьбовым кольцом оптическая деталь укрепляется в оправе кольцом, имеющим наружную или внутреннюю резьбу. Возможное смещение линзы в оправе определяется выбранной посадкой. Крепление резьбовым кольцом необходимо применять для деталей свыше 50-80 мм. Для деталей размером 10-50 мм этот способ крепления рекомендуется в тех случаях, когда завальцовка по каким-либо соображениям непригодна. Для деталей диаметром менее 10 мм резьбовые кольца применять не следует.

На рис. 2.5 показаны примеры крепления линз резьбовым кольцом. Кольца с внутренней резьбой нужно применять только в исключительных случаях ввиду сложности их изготовления.

Рис. 2.5. Крепление линз резьбовым кольцом.

 

 

Типы резьбовых колец приведены на рис. 2.6. Диаметр резьбы колец выбирают с таким расчетом, чтобы внутренний диаметр резьбы оправы был на 0, 2-0, 5 мм больше посадочного диаметра линзы. В случае недостаточного зазора между гребешками резьбы и диаметром линзы может произойти заклинивание последней в резьбе при случайном перекосе в процессе сборки, что придет к выколкам на линзе. Внутренний диаметр резьбовых колец должен быть больше светового диаметра линзы не менее чем на 0, 2-0, 5 мм или в крайнем случае равен ему. Кольца с расточной на конус применяются в те случаях, когда необходимо исключить срезание пучка лучей, а также в декоративных целях. Диаметр резьбы колец с внутренней резьбой должен быть больше диаметра линзы на 2-4 мм, наружный диаметр колец на 1, 5-3 мм должен быть больше диаметра резьбы. Толщина упорного буртика 0, 5-1, 5 мм.

Рис. 2.6. Типы резьбовых колец.

В нашем случае крепление проекционного объектива завальцовкой затруднено конструктивно, поэтому выберем крепление резьбовым кольцом с наружной резьбой. Проекционный объектив, установленный в тубус и закрепленный резьбовым кольцом, представлен на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Объектив в тубусе: 1 – проекционный объектив, 2 – резьбовое кольцо, 3 – тубус.

Крепление светодиода.

Светодиод КИПД21 К-Ж припаевается на плату (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Светодиод на плате.

Затем плата крепится к оправе винтами(рис. 2.9).

 

Рис. 2.9. Оправа светодиода.

 

Крепление ФПЗС-матрицы.

ФПЗС-матрица припаеватся на плату( рис. 2.10).

 

Рис. 2.10. ФПЗС-матрица на плате.

Затем плата с ФПЗС-матрицей прикручивается при помощи винтов и гаек на оправу (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Оправа ФПЗС-матрицы.

2.5 Крепление магнитооптического кристалла и постоянного магнита.

Кристалл приклеивается к крышке в соответствующую выемку (рис. 2.12). Магнит 2 прижимается кольцом 1, которая затем прикручивается к крышке.

Рис. 2.12. 1 – кольцо прижимное, 2 – постоянный магнит, 3 – крышка с магнитооптическим кристаллом.

Сборка осветительной ветви.

На рис. 2.13 представлена осветительная ветвь оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм в разрезе.

Рис. 2.13. Разрез осветительной ветви

В осветительной ветви реализована возможность вращения поляризатора посредством конической передачи с целью получения наибольшего контраста в процессе работы прибора.

 

Рис. 2.14. Геометрия конического колеса.

Рассчитаем геометрические параметры конической передачи (рис. 2.14). В качестве исходных данных возьмем модуль m=0, 7мм, Для конической прямозубой передачи рекомендуется передаточное числов u = 2, 2, 5; 3, 15; 4. Выберем u=2. Количество зубьев для первого колеса 24, для второго 12.

Внешний диаметр d_e:

Внешнее конусное расстояние

 

Углы делительных конусов:

 

 

Среднее конусное расстояние

где b – ширина зубчатого венца колеса, К_де - коэффициент ширины зубчатого венца относительно внешнего конусного расстояния.

 

Средние делительные диаметры:

Внешние диаметры вершин зубьев

Внутренние диаметры вершин зубьев

 

 

Сборка осветительной ветви (рис. 2.15) осуществляется следующим образом: светодиод в оправе 1 прикручивается к оправе коллиматора 2. Во фланец осветительной ветви 4 устанавливается подшипник 9, в который вставляется коническое зубчатое колесо 3, являющееся оправой для поляризатора. Подшипник 8 вместе с колесом коническим 6 устанавливаются во фланец, обеспечивается зацепление конических колес. Во избежание вертикального смещения колеса с подшипником на фланец винтами крепится крышка 5. Затем оправы 1 и 2 вместе устанавливаются в фланец и привинчиваются винтами.

Рис. 2.15. Осветительная ветвь в сборе.

Сборка измерительной ветви.

На рис. 2.16 представлена измерительная ветвь оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм в разрезе.

Рис. 2.16. Разрез измерительной ветви.

 

Сборка измерительной ветви (рис.2.17) осуществляется следующим образом: оправа объектива 2 вкручивается во фланец с анализатором 1. Затем оправа ФПЗС-матрицы 3 через промежуточную пластину 4 крепится винтами к оправе объектива. Пластина нужна для регулировки положения плоскости ФПЗС. Подбором толщины определяется наиболее выгодное положение и, соответственно, лучшее изображение.

 

Рис. 2.17. Измерительная ветвь в сборе.

Установка в общий корпус.

В корпус (рис. 2.18) устанавливается крышка с магнитооптическим кристаллом и постоянным магнитом 3 винтами 5. Осветительная ветвь 1 устанавливается в корпус и прикручивается винтами 6. Измерительная ветвь 2 крепится в корпус винтами 4.

Рис. 2.18. ОЭУРМ в сборе.

3. Оптическая часть 3.1 Выбор и обоснование оптической схемы На основе вышеприведенного анализа, предложена оптическая схема устройства визуализации магнитограмм, которая должна содержать источник излучения, который должен осветить исследуемую область, коллиматор, собирающий лучи от источника света и направляющий их на исследуемый объект, рассеиватель, поляризатор для создания линейно поляризованного света, магнитооптическую головку, анализатор – для преобразования модуляции по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, оптический элемент для фокусировки изображения в плоскости ФПЗС-матрицы. Рис. 3.1. Оптическая схема устройства визуализации магнитограмм     Магнитооптическая головка, как следует из проведенного выше анализа, должна содержать некую промежуточную среду, с которой дальше идет процесс считывания информации на основе эффекта Фарадея. Этой средой являются магнитные пленки феррит-гранатов, обладающих большим фарадеевским вращением. Способ магнитооптического считывания с помощью промежуточной среды целесообразно применять в том случае, когда оптические характеристики носителя информации не позволяют проводить считывание непосредственно с самого носителя (например, когда считывание информации с помощью эффекта Керра не обеспечивает требуемого отношения сигнал/шум). Принцип работы устройства. Излучение от светодиода 1, проходит через коллиматорную линзу 2, рассеиватель 3, поляризатор 4 и становится линейно поляризованным. Линейно поляризованное излучение направляется на носитель записи 6 со скрытой магнитной информацией. Важным элементом при визуализации информации является магнитная пленка феррит-граната 5, которая вращает плоскость поляризации выходного излучения на основе магнитооптического эффекта Фарадея. Магнитные поля рассеяния, создаваемые доменной структурой носителя информации 6, перестраивают доменную структуру пленки феррит-граната 5 с одноосной магнитной анизотропией. Поэтому линейно поляризованный свет, проходя через магнитную пленку феррит-граната, поворачивает свою плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен пленки 5 проходит излучение, на угол: , где - удельное фарадеевское вращение; - длина пути в магнитной пленке феррит-граната, α – угол между направлением распространения излучения и вектором намагниченности М. После отражения от зеркальнозащитного слоя магнитной пленки феррит-граната, необходимого для увеличения коэффициента отражения и предохраняющий от химического взаимодействия поверхностей носителя и пленки, излучение снова проходит через пленку, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение излучения через магнитную пленку феррит-граната удваивает угол поворота плоскости поляризации излучения, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженное излучение проходит через анализатор 7, преобразующий модуляцию излучения по плоскости поляризации в модуляцию излучения по интенсивности. Изображение с магнитной пленки феррит-граната объективом 8 проецируется на ФПЗС 9 и далее информация передается для обработки в компьютер, в котором по соответствующему алгоритму производится сравнение изображений или информации с эталоном. Расстояния, приведенные на оптической схеме: между светодиодом 1 и коллиматором 2, между конденсором и рассеивателем 3, между рассеивателем и поляризатором 3, между поляризатором, плоскостью предмета и анализатором 6 выбираются из конструктивных соображений так, чтобы обеспечить минимальные габариты и удобство сборки и обслуживания устройства. Угол падения излучения на магнитную пленку феррит-граната примем равным 45°. Сформулируем основные требования и осуществим выбор элементной базы устройства регистрации магнитных полей рассеяния. Источник излучения. Высококачественные пленки феррит-гранатов используются в видимом и ближнем инфракрасном спектре. Требований к монохроматичности излучения в данном случае нет. В связи с этим в качестве источника излучения выбран светодиод КИПД 21 К-Ж. При освещении светодиодом необходимо ставить коллиматорную линзу для обеспечения параллельного пучка определенного диаметра. Для исключения эффекта засветки применяется рассеиватель (матовое стекло). Рис.3.2. Светодиод КИПД 21 К-Ж   Светодиод имеет характеристики, представленные в таблице 1. Таблица 3.1. Характеристики светодиода КИПД 21 К-Ж Параметр Значение Длина волны 590 нм Сила света 500 мКд Прямой ток 20 мА Прямое напряжение 2, 4 В Угол половинной яркости 20о     Приемник излучения. Разрешающая способность, согласно техническому заданию, должна составлять не менее 100 линий на миллиметр, т.к. большинство носителей магнитной информации имеют минимальные размеры элементов от 10 до 30 мкм. Минимальный элемент в данном случае 10 мкм. Разрешающая способность ФПЗС-матрицы определяется размером пикселя. Изображение, полученное проекционным объективом, на ФПЗС-матрице, передается для обработки в компьютер. В качестве ФПЗС-матрицы выбираем ICX285AQ (SONY) с параметрами, представленными в таблице 3.2. Таблица 3.2. Параметры матрицы ICX285AQ Параметр Значение Число активных пикселей 1360х1024 Размер пикселя 6, 45х6, 45 мкм Рабочий размер матрицы 10, 2х8, 3 мм Пороговая чувствительность 0, 01 лк Поляризационная оптика. Конструктивно поляризатор и анализатор – одно и то же. Поляризаторы основаны на явлениях: а) на отражении и преломлении на границе двух диэлетриков; б) двойном лучепреломлени; в) на дихроизме. Поляризация с помощью дихроизма в некотором участке спектра достигает 100%. Учитывая длину волны излучения светодиода (λ =590нм), подберем подходящий поляризатор. Существуют герапатитовые и поливиниловые поляроиды. На указанной длине волны герапатитовый поляроид обеспечивает 99% поляризацию. Поливиниловый поляроид обеспечивает 100% поляризации. Таким образом, в нашем случае поляроид представляет собой поляризующую свет пленку, изготовленную из поливинилового спирта марки H и заклеенную между защитными стеклянными плоскопараллельными пластинами, марка стекла – К8, толщиной 3мм и диаметром 10 мм [14]. Коллиматорная линза. Коллиматором принято называть оптическую систему, концентрирующую часть светового потока источника света в узкий пучок как для освещения удаленных предметов, так и для передачи сигналов на большие расстояния [19]. Оптическими характеристиками коллиматора являются: сила света; коэффициент усиления; дистанция оформления пучка; угол охвата и угол рассеяния. Из приведенных характеристик светодиода КИПД 21 К Ж известно, что угол половинной яркости составляет . Следовательно, примем угол охвата . Зная величину поля зрения (10мм х10 мм), определим диаметр пучка из геометрии   Рис.3.3. К расчету диаметра пучка Исходя из этого, световой диаметр линзы должен быть не меньше, чем D=7, 07. Примем D=8мм.   Найдем фокусное коллиматорной линзы, зная световой диаметр и апертурный угол:   Примем в качестве коллиматора плосковыпуклую линзу. Фокусное расстояние линзы равно 22мм. Толщину примем 5 мм. Рис.3.4. Плосковыпуклая линза. Т.к. линза будет находиться в воздухе (n1=n3=n), является плосковыпуклой (r1=∞, r2< 0), и принимая предварительно материал для линзы стекло К8 (для длины волны l = 590нм n2=1, 51627), найдем параметры линзы:     Тогда имеем коллиматорную линзу со следующими параметрами: Радиус Толщина, Марка материала ∞   -11, 358     К8

Проекционный объектив. Требуется объектив, обеспечивающий высокий контраст. Исходя из этого, выберем из набора двухлинзовых компонентов, обеспечивающих в спектральном диапазоне от 0, 55 до 0, 9 мкм высокие значения коэффициентов передачи контраста при относительных отверстиях вплоть до 1: 3—1: 2, 5 [20]. Выбранный объектив имеет следующие конструктивные параметры:           r1=18, 05   n1=1     r2=-10, 1 d1=5 n2=1, 5223     r3=-27, 47 d2=2 n3=1, 6744         n4=1       Смоделируем полученный объектив в пакете программ оптического моделирования «Zemax» и оценим возможность правильной работы в заданных условиях. Рис.3.5. Схема выбранного объектива Построим графики аберраций смоделированного объектива и проведем оценку его работоспособности:   а) б) Рис.3.6. а) – поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) – волновые аберрации Оценим разрешающую способность данного объектива в плоскости ФПЗС-матрицы: Рис.3.7. Модуляционная передаточная функция Как видим, данная система обладает незначительные аберрациями, однако разрешающая способность ниже требуемой (контраст 0, 27 на 100 линий/мм). С целью повышения данного параметра проведем оптимизацию объектива. После оптимизации объектив будет иметь следующие конструктивные параметры: Рис.3.8. Конструктивные параметры оптимизированного объектива     Построим графики аберраций оптимизированного объектива а) б) Рис.3.9. а) – поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) – волновые аберрации Оценим разрешающую способность: Рис.3.10. Модуляционная передаточная функция оптимизированного объектива Как видно из рис. 3.10, полученный объектив обеспечивает контраст 0, 55 при разрешении 100 линий/мм, что является хорошим показателем для работы системы.

Светоэнергетический расчет

На данном этапе определим освещенность, создаваемую оптической системой в плоскости приемника излучения и сделаем вывод о правильности выбора данного источника и приемника излучения.

Для начала рассчитаем коэффициент пропускания оптических элементов оптико-электронного устройства регистрации магнитных полей рассеяния (рис. 3.1). Отражение на преломляющих поверхностях можно учесть, воспользовавшись формулами Френеля:

Для границ раздела оптических сред в магнитооптическом устройстве коэффициенты пропускания будут равны:

стекло К8-воздух

стекло ОК1-воздух

стекло БФ16-воздух

Коэффициент пропускания магнитной пленки феррит-граната с учетом просветления подложки и нанесения зеркального покрытия .

Коэффициенты пропускания поляризатора и анализатора:

Потери в толще оптических материалов. Суммируя все толщины, получаем l = 0, 034 м. Тогда .

 

Суммарный коэффициент пропускания находится перемножением вычисленных составляющих:

Из паспортных данных источника света известна его сила света

Определим потом излучения от источника на коллиматорную линзу:

Где Ω – телесный угол, определяется как

Рис.3.11. Определение телесного угла

 

 

.

Тогда поток

 

С учетом потерь на оптических элементах можно считать, что поток излучения, падающего на приемник излучения, составит

,

где = 300 см^-1 – коэффициент поглощения магнитной пленки феррит-граната; h = 4 мкм – толщина магнитной пленки феррит-граната; Δ = 0.001 – коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор – магнитной пленки феррит-граната – анализатор; - (закон Малюса) определяет интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор – анализатор, развернутые на угол 2F ( F = 8 град – угол поворота плоскости поляризации).

.

Площадь рабочей области приемника излучения составляет

м²,

а=10, 2 мм, b=8.3 мм – размер активной области матрицы ФПЗС.

Тогда освещенность, создаваемая на матрице ФПЗС, составит

лк.

По паспортным данным, минимальный порог освещенности для данного приемника излучения составляет 0, 01 лк, поэтому выбранная элементная база обеспечивает работоспособность устройства регистрации магнитных полей рассеяния.