Юстировочное устройство
Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к средствам юстировки оптических систем и может быть использована при изготовлении и сборке крупногабаритных зеркальных и зеркально-линзовых объективов в качестве технологического и штатного юстировочного устройства. Предложенное нами устройство обеспечивает пять практически независимых перемещений (три линейных и два угловых), значительно упрощая и ускоряя процесс юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов при простоте конструкции и минимальном весе. Такой результат достигнут нами, когда в юстировочном устройстве, включающем корпус, установленное с возможностью двух поперечных линейных перемещений относительно корпуса основание с плоской опорной поверхностью, толкатели линейных перемещений основания, установленные на корпусе и упирающиеся в основание, пружины силового замыкания линейных перемещений основания, установленные между корпусом и основанием, держатель юстируемого зеркала, установленный с возможностью угловых перемещений относительно основания, толкатели угловых перемещений держателя, установленные на основании и упирающиеся в держатель, пружины силового замыкания угловых перемещений держателя, установленные между основанием и держателем, новым является то, что держатель зеркала установлен с возможностью угловых и осевого линейного перемещений относительно основания и выполнен в виде фланца с тремя опорными элементами шаровых опор различных видов: конуса, плоскости и призмы с ребром, ориентированным по направлению углового перемещения, а толкатели угловых перемещений с шаровыми пятками установлены на основании с упором на опорные элементы, причем оси толкателей ориентированы параллельно оси юстируемого зеркала. 1 илл.
Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к средствам юстировки оптических систем и может быть использована при изготовлении и сборке крупногабаритных зеркальных и зеркально-линзовых объективов в качестве технологического и штатного юстировочного устройства.
Основной задачей юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов является минимизация суммарной ошибки объектива в любой точке поля зрения путем центрировки отдельных элементов и установки расчетных расстояний между элементами.
Известно, что задачу сборки низкоапертурных зеркальных и зеркально-линзовых объективов обычно решают путем взаимной установкой зеркал по геометрическим базам.
Корректировку взаимного положения зеркал осуществляют путем, например, шлифовки опорных фланцев или установкой прокладок.
В случае высокоапертурных объективов, когда допуски на угловую установку осей зеркал составляют единицы угловых секунд, на поперечные смещения - единицы микрон, а на продольные смещения - десятков микрон, метод сборки по геометрическим базам практически неосуществим. Это связано с тем, что расчетный допуск на децентровку зеркал (взаимный наклон и смещение их осей) в этом случае значительно меньше, чем достигаемая погрешность измерения децентровки поверхностей зеркал относительно опорных баз (фланцев, цилиндрических образующих зеркал). Поэтому зеркала взаимно юстируют (обычно вторичное зеркало относительно главного) до минимизации суммарной ошибки волнового фронта в центре и по полю зрения. Такая юстировка позволяет взаимно установить зеркала с необходимой расчетной точностью, не измеряя с высокой точностью децентровку отдельных зеркал относительно их опорных баз.
В этом случае для установки вторичного зеркала целесообразно использовать специальное технологическое или штатно-технологическое юстировочное устройство, которое должно иметь пять независимых степеней свободы (пять подвижек): три линейные и две угловые.
Известно устройство для юстировки зеркал со многими степенями свободы [Климашин В.П., Себко С.Е., Юстировочный механизм, Оптико-механическая промышленность, 1979, 
6, с.42]. Оно включает корпус, установленное с возможностью линейных перемещений относительно корпуса основание, на котором с возможностью угловых перемещений установлен держатель зеркала. Устройство имеет высокую точность установки зеркал, большой диапазон перемещений, полную независимость перемещений по различным координатам. Однако, устройства такого типа имеют большие габариты и вес, значительно превышающий вес юстируемого зеркала, и не могут применяться в качестве технологического или штатного юстировочного устройства, так как должны базироваться на ферме юстируемого объектива, имеющей относительно небольшую жесткость.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по параметрам регулировки является юстировочное для оптических элементов устройство - центрировочный патрон [Центрировочный патрон с переменным центром качания, В.В.Колчин, В.А.Балабанович, И.Н.Власенко, А.В.Смоляк, ОМП, 1987, 12, с.38], включающий корпус, установленное с возможностью поперечных линейных перемещений относительно корпуса основание с плоской опорной поверхностью, винтовые толкатели линейных перемещений, установленные на корпусе и упирающиеся в основание, пружины силового замыкания линейных перемещений, установленные между корпусом и основанием, держатель юстируемого зеркала, установленный с возможностью угловых перемещений в шаровом шарнире, расположенном на основании, винтовые толкатели угловых перемещений, установленные на основании и упирающиеся в держатель, пружины силового замыкания угловых перемещений, установленные между основанием и держателем.
В этом юстировочном устройстве два взаимно-перпендикулярных поперечных линейных перемещения держателя юстируемого зеркала осуществляют скольжением основания с плоской опорной поверхностью по плоской поверхности корпуса патрона при помощи подпружиненных винтовых толкателей. Угловые перемещения держателя осуществляют качанием держателя в шаровом шарнире при помощи подпружиненных винтовых толкателей, установленных перпендикулярно оси юстируемого зеркала. Наличие силового замыкания пружинами позволяет работать патрону при различной ориентации оси устройства.
Устройство имеет необходимый диапазон линейных и угловых перемещений.
Недостатком устройства является невысокое качество юстировки вследствие отсутствия линейного перемещения держателя вдоль оси зеркала, что потребует дополнительных операций по установке прокладок. Другим недостатком устройства является то, что угловые перемещения держателя осуществляются вокруг центра кривизны шарового шарнира, тогда как при юстировке зеркала его необходимо поворачивать вокруг его вершины (или близкой точки) для обеспечения независимости угловых и линейных перемещений. Зависимость перемещений усложняет процесс юстировки, так как требует корректировки положения линейных подвижек после изменения положения угловых. Конструкция устройства сложна в силу своей универсальности.
Самым существенным недостатком является большой вес устройства (8,25 кг), что не позволяет применять его в большинстве случаев юстировки зеркал в составе зеркальных и зеркально-линзовых объективов.
Предложенное нами устройство обеспечивает пять практически независимых перемещений (три линейных и два угловых), значительно упрощая и ускоряя процесс юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов, при простоте конструкции и минимальном весе.
Такой результат достигнут нами, когда в юстировочном устройстве, включающем корпус, установленное с возможностью двух поперечных линейных перемещений относительно корпуса основание с плоской опорной поверхностью, толкатели линейных перемещений основания, установленные на корпусе и упирающиеся в основание, пружины силового замыкания линейных перемещений основания, установленные между корпусом и основанием, держатель юстируемого зеркала, установленный с возможностью угловых перемещений относительно основания, толкатели угловых перемещений держателя, установленные на основании и упирающиеся в держатель, пружины силового замыкания угловых перемещений держателя, установленные между основанием и держателем, новым является то, что держатель зеркала установлен с возможностью угловых и осевого линейного перемещений относительно основания и выполнен в виде фланца с тремя опорными элементами шаровых опор различных видов: конуса, плоскости и призмы с ребром, ориентированным по направлению углового перемещения, а толкатели угловых перемещений с шаровыми пятками установлены на основании с упором на опорные элементы, причем оси толкателей ориентированы параллельно оси юстируемого зеркала.
На фиг. приведена схема юстировочного устройства фиг.«а» - разрез устройства по А-А, фиг.«б» - вид устройства сверху), где основание 1, корпус (ферма) 2 зеркала, зеркало 3, держатель 4 зеркала, включающий опорные элементы в виде конуса, плоскости и призмы, толкатели 5 линейных перемещений, пружины сжатия 6 силового замыкания линейных перемещений, толкатели 7 угловых и линейного осевого перемещений с шаровыми пятками, пружины 8 растяжения силового замыкания угловых и линейного осевого перемещений.
Устройство работает следующим образом.
К зеркалу 3 прикрепляют держатель 4, имеющий опорные элементы шаровых опор угловых перемещений и линейного осевого перемещения Держатель 4 зеркала может быть выполнен в виде одной детали или в виде трех отдельных деталей в зависимости от требований к весу и жесткости конструкции. Подходы к решению этой задачи известны. Один опорный элемент выполняют в виде конуса, второй - в виде плоскости, третий - в виде призмы, причем опорные элементы могут быть расположены между собой под углом 90 или 120 угл. град..
Известно, что при расположении опорных элементов под углом 90 угл. град. друг к другу, что предпочтительно с точки зрения эргономики (качание держателя в двух взаимноперпендикулярных плоскостях), опорный элемент в виде конуса должен располагаться в вершине прямого угла.
При расположении опорных элементов под углом 120 угл. град. они расположены на одинаковом расстоянии от центра зеркала 3, а угол призмы ориентирован по нормали к линии, проходящей через центры двух других опорных элементов. Алгоритм юстировки усложняется, однако симметричная конструкция имеет меньший вес и обладает большей жесткостью, что существенно при использовании устройства в штатном варианте. Подходы к решению этих задач известны.
Держатель 4 с зеркалом 3 при помощи толкателей 7 (например, винтовых) с шаровыми опорами, упирающимися в опорные элементы угловых перемещений держателя 4, и пружин 8 силового замыкания угловых перемещений крепят к основанию 1. Элементы крепления пружин к основанию и держателю известны.
Для упрощения и облегчения конструкции котировочного устройства в качестве корпуса мы использовали ферму с плоским фланцем главного зеркала, жестко закрепленного на ней.
Сборку устанавливают плоской опорной поверхностью основания 1 на плоский фланец корпуса (фермы) 2 зеркала и крепят при помощи пружин 6 сжатия силового замыкания линейных перемещений и винтовых толкателей 5 линейных перемещений, установленных на ферме 2 зеркала. Подходы к решению этой задачи известны.
Линейные перемещения и фиксация зеркала 3 относительно фермы 2 зеркала (а значит и относительно главного зеркала, с которым жестко связана ферма 2) в поперечном направлении осуществляют при помощи винтовых толкателей 5 линейных перемещений.
Осевые перемещения зеркала 3 для установки межзеркального расстояния осуществляют, поворачивая все винтовые толкатели 7 с шаровыми пятками на одинаковый угол.
Таким образом, в отличие от известных устройств в нашем техническом решении оси толкателей угловых перемещений установлены параллельно оси юстируемого зеркала, что позволяет обеспечить осевое перемещение юстируемого зеркала, невозможное ранее, и тем самым повысить качество юстировки.
Пружины силового замыкания угловых перемещений в этом случае осуществляют стягивание основания с держателем, что и позволяет осуществлять юстировку зеркала как с вертикальной, так и с горизонтальной осью.
Угловые перемещения зеркала 3 осуществляют при помощи винтовых толкателей 7 с шаровыми пятками, при этом зеркало наклоняется вокруг оси, проходящей через две другие опоры.
Новое решение юстировочного устройства позволило значительно упростить всю конструкцию за счет совмещения некоторых функций и использования в качестве элементов устройства конструкций объектива. В качестве поверхности, по которой происходит линейное перемещение поперек оси, используется плоская поверхность фермы зеркала. Одинаковое перемещение винтов угловых перемещений позволяет реализовать линейное осевое перемещение зеркала без использования дополнительных элементов конструкции.
Близость опорных элементов к вершине зеркала обеспечивает малое влияние угловых перемещений на линейные поперечные перемещения, что значительно упрощает и ускоряет процесс юстировки, так как не требует корректировки положения линейных подвижек после использования угловых. Незначительное изменение межзеркального расстояния при регулировке угловых подвижек в малом диапазоне практически не сказывается на процессе юстировки, так как допуск на межзеркальное расстояние значительно больше, чем на поперечные смещения (в десятки раз).
В случае, если юстировочное устройство используется в качестве штатного крепления зеркала, после окончания процесса юстировки фиксация зеркала 3 относительно фермы 2 зеркала осуществляется последовательной заменой пружин силового замыкания на винты. Винтовые толкатели линейных перемещений 5 могут быть сняты.
В случае если существуют ограничения по весу, то юстировочное устройство может быть использовано в качестве «технологического». В этом случае зеркало 3 может быть зафиксировано относительно фермы 2 зеркала, например, при помощи известных крепежных элементов и безусадочного клея, а юстировочное устройство после полимеризации клея может быть снято, для чего достаточно снять пружины силового замыкания и толкатели.
Пример конкретного исполнения.
По схеме, приведенной на фиг., разработан и изготовлен образец технологического юстировочного устройства, используемого при сборке крупногабаритного зеркально-линзового объектива. Держатель зеркала и основание выполнены из алюминиевого сплава. Держатель зеркала приклеен к зеркалу термопластичной смолой. Опорные элементы толкателей угловых перемещений расположены под углом 120 угл. град. между собой на максимально возможном расстоянии от центра зеркала. Опорные элементы толкателей выполнены из стали и запрессованы в держатель зеркала. В качестве толкателей используются шлифованные стальные микрометрические винты с шагом резьбы 0,25 мм, ввинчивающиеся в стальные втулки. Усилие замыкающих пружин рассчитано для условий работы объектива с горизонтальной осью и составляет 3 кг в среднем положении. Вес юстировочного устройства составляет 1,1 кг.
Устройство позволяет перемещать вторичное зеркало объектива весом 1,7 кг и диаметром 220 мм с чувствительностью ±1 мкм по трем линейным координатам в осевом и поперечных направлениях и чувствительностью ±1 угл. сек по угловым координатам. Диапазон поперечных перемещений ±1 мм, осевого перемещения ±2,5 мм, угловых перемещений ± 1 угл. град.
После завершения юстировки зеркало крепится к ферме при помощи специальных торцевых и осевых упоров. Упоры предварительно устанавливают на ферме при помощи винтов с небольшим (порядка 30-40 мкм) зазором относительно лицевой, торцевой и тыльной поверхностей зеркала. Затем в зазоры по специальным каналам вводят безусадочный клей. После полимеризации клея юстировочное устройство снимается. Для этого снимают пружины силового замыкания, после чего снимают основание с толкателями угловых перемещений и толкатели линейных перемещений. Держатель зеркала отклеивается от зеркала при помощи электрического фена.
В дальнейшем предполагается использование юстировочного устройства в штатном варианте. В этом случае держатель клеится к зеркалу при помощи эпоксидного клея, а все элементы юстировочного устройства (кроме съемных - пружин и толкателей линейных перемещений) выполняются из инвара.
Юстировочное устройство, включающее корпус, установленное с возможностью двух поперечных линейных перемещений относительно корпуса основание с плоской опорной поверхностью, толкатели линейных перемещений основания, установленные на корпусе и упирающиеся в основание, пружины силового замыкания линейных перемещений основания, установленные между корпусом и основанием, держатель юстируемого зеркала, установленный с возможностью угловых перемещений относительно основания, толкатели угловых перемещений держателя, установленные на основании и упирающиеся в держатель, пружины силового замыкания угловых перемещений держателя, установленные между основанием и держателем, отличающееся тем, что держатель зеркала установлен с возможностью угловых и осевого линейного перемещений относительно основания и выполнен в виде фланца с тремя опорными элементами шаровых опор различных видов: конуса, плоскости и призмы с ребром, ориентированным по направлению углового перемещения, а толкатели угловых перемещений с шаровыми пятками установлены на основании с упором на опорные элементы, причем оси толкателей ориентированы параллельно оси юстируемого зеркала.
