КОЛЛИМАТОРЫ И АВТО КОЛЛИМАТОРЫ

Коллиматором называется оптический прибор, образующий параллельный пучок лучей. Коллиматор часто применяется для всякого рода контрольных испытаний и исследований оптических деталей и узлов. Он является частью ряда приборов: спектральных, контрольно-измерительных, прицельных, приборов связи и сигнализации и др. Оптическая схема коллиматора показана на рис. 114. Источник света освещает плоскопараллельную пластинку — сетку, имеющую какие-либо штрихи или отверстия на темном фоне. Для более равномерного освещения между источником света и сеткой, как можно ближе к сетке, устанавливают молочное или матовое стекло. Сетку помещают в фокальной плоскости объектива. Тогда из объектива лучи выходят в виде параллельных пучков.

Коллиатор

Коллиматор широко применяется в различных сигнальных фотоэлектрических устройствах (фотореле). Пучок лучей, вышедший из объектива коллиматора, направляется на фотоэлемент (рис. 115, а). Если пучок лучей преградить, то прекратится падение лучей света на фотоэлемент и тем самым исчезнет фототок. Фототоки усиливаются и поступают в электромагнитное реле, которое, смотря по необходимости, срабатывает, когда ток впервые возникает или когда ток исчезает. Подобное устройство нашло широкое применение в автоматике, во многих отраслях техники. Фотореле сигнализирует об обрыве бесконечных лент, об обрыве бумаги, тканей и т. п. Оно используется для автоматического счета изделий, для регулирования наполнения сосудов и т. д.

Оптическая схема фотореле

Например, электролампа СГ2 имеет тело накала 0,9X1,5 мм. Применение этой лампы при фокусном расстоянии объектива коллиматора 150 мм дает угловую величину светового рассеяния лучей примерно в 40'.

Введение в систему коллиматора, конденсора и диафрагмы позволяет получить искусственный точечный источник света (рис. 115, б). Источник света с помощью конденсора, обычно при β=-1, освещает отверстие в диафрагме (0,1—0,3 мм). Диафрагма устанавливается в переднем фокусе объектива. Подобным образом удается уменьшить угол светового рассеяния лучей до 7'. Расстояния между коллиматором и фотоэлементом могут достигать нескольких метров. Необходимо лишь иметь совмещенными оптическую ось объектива и смотровую ось фотоэлемента. В пределах всего расстояния между объективом и фотоэлементом освещенность площадки, поставленной нормально к пучку лучей, практически остается неизменной. Лишь на больших расстояниях, на которых сказываются рассеяние света, задымленность атмосферы, начинает изменяться освещенность и уменьшаться количество фототока.

Освещенность фотоэлемента практически равна освещенности выходного зрачка объектива, тогда на основании (24,7)


формула

где Sоб — площадь выходного зрачка объектива.

Воспользуемся формулой (28,2). из которой при n = n'=1 получим освещенность отверстия диафрагмы, установленной в передней фокальной плоскости объектива


формулы

где δ — диаметр отверстия диафрагмы. Наибольшее значение диаметра отверстия может быть равно величине изображения светового тела. Если же диаметр диафрагмы меньше диаметра изображения светового тела источника света, то под δ понимается диаметр отверстия. Тогда


формулы

где F0 — общий световой поток точечного источника света, известный из каталога.

Если отверстие диафрагмы меньше изображения светового тела, то световой латок также можно вычислить по формуле (59,2), но вместо значения светового потока источника света F0 из каталога необходимо подставить вычисленное по формуле

формула

Для определения освещенности выходного зрачка объектива, и, что практически одно и то же, освещенности поверхности фотоэлемента, на которую падает параллельный пучок лучей, воспользуемся формулой (59,3). Одинаковость этих освещенностей обычно соблюдается на протяжении нескольких метров и зависит прежде всего от сферической аберрации объектива и состояния среды между объективом и фотоэлементом. Площадь выходного зрачка объектива Sоб равна

формула

В целях надежного действия фотоэлемента необходимо следить, чтобы световой поток, вычисленный по формулам (59,1) или (59,6), по крайней мере на порядок превосходил пороговую чувствительность светоприемника.

Для предохранения от засветки рабочей поверхности светоприемника посторонним боковым светом между линзой и светоприемником задней фокальной плоскости линзы устанавливают диафрагму (рис. 115, г).

Эти формулы справедливы для коллиматоров фотоэлектрических, спектральных и сигнальных приборов, так как относительное отверстие объективов этих приборов невелико (не более 1:2). При определении же освещенности в параллельном пучке прожекторов, относительные отверстия которых превосходят 1:2, следует применять формулу Корякина

формула

где I— сила света источника света.

Автоколлиматором называется оптический прибор, образующий параллельные пучки лучей и воспринимающий эти пучки обратно. Оптическая схема автоколлиматора показана на рис. 116.

Представим себе, что в фокальной плоскости объектива находится точка предмета А. Точка А освещается каким-либо способом и становится как бы самосветящейся. Лучи от точки А выходят из объектива параллельно друг другу. Далее они падают на зеркальную поверхность и отражаются обратно. Есди зеркальная поверхность расположена перпендикулярно оптической оси объектива, то лучи соберутся в фокальной плоскости объектива по другую сторону оптической оси, в точку А' на таком же расстоянии от оси, на каком точка А находилась от оси. Лучи же, вышедшие из точки О на оптической оси, соберутся снова в точке О.

Если зеркальная поверхность будет наклоняться, то изображение будет смещаться вдоль направления наклона. Величина смещения изображения будет пропорциональна половине угла наклона зеркала, т. е.

формула

Автоколлимационный принцип образования изображения нашел себе применение в спектральных приборах, в оптиметрах и многих других контрольно-измерительных и котировочных приборах (рис. 117). Характерным отличием визуальных автоколлимационных приборов является наличие автоколлимационного окуляра. Любой положительный окуляр можно превратить в автоколлимационный, придав ему осветительное устройство для освещения сетки. Наиболее употребительными являются системы с плоскопараллельной пластинкой, поставленной под углом 45° к оптической оси, и с призмой, вводимой в фокальную плоскость (систехма Гаусса).

Оптические схемы автоколлимационных приборов

Допустим, что плоскопараллельная пластинка расположена между окуляром и объективом, вблизи окуляра (рис. 118) таким образом, что расстояние от освещенного предмета Р до оптической оси, до точки а, равно расстоянию от этой же точки до фокальной плоскости (с учетом удлинения луча в пластинке). Тогда наблюдатель в окуляр увидит автоколлимационное изображение точки Р.

Автоколлимационный окуляр с пластинкой

Пластинка может быть установлена и между фокальной плоскостью и коллективной линзой окуляра и даже между линзами окуляра. В этих случаях она непосредственно осветит штрихи сетки, расположенной в фокальной плоскости окуляра. Достоинством такого типа автоколлимационного окуляра является свободное от каких-либо посторонних устройств поле зрения. Недостатком ее является слабая освещенность изображения. Для освещения используется только небольшая часть света, отраженного от полированной поверхности стекла.

Автоколлимационный окуляр Захарьевского

Имеется возможность, закрыв часть поля зрения, в фокальную плоскость ввести узкую призму (рис. 119) и через нее осветить тот или иной штрих сетки (система Аббе). В этом случае освещенность автоколлимационного изображения будет хорошая, но зато часть поля будет закрыта призмой.

Недостатки обоих этих автоколлимационных окуляров устранены в автоколлимационных окулярах В. П. Линника и А. Н. Захарьевского. В окуляре Линника трехгранная стеклянная приза—нить толщиной 0,1—0,2 мм, приклеивается к сетке. Эта yить одновременно является и штрихом сетки и освещенным предметом в плоскости сетки, так как грань нитевидной призмы освещается сбоку источником света. Автоколлимационный окуляр Захарьевского имеет две прямоугольные призмы (рис. 120) с углами 40° и 50°. Поверхности ab и cd посеребрены. Фокальные плоскости объектива и окуляра совмещены и расположены в плоскости ab. На поверхности ab процарапан штрих К и сзади освещен источником света. Тогда его автоколлимационное изображение будет в К'.

Объективы коллиматоров и автоколлиматоров характеризуются фокусным расстоянием и диаметром входного зрачка (световым отверстием). Объективы коллиматоров должны быть тщательно исправлены на сферическую и хроматическую аберрации. Эти аберрации нарушают параллельность выхода лучей из объектива. Чтобы избежать влияния сферической аберрации, объективы коллиматоров применяют с малым относительным отверстием, например: 1 : 12, 1: 15 и 1 :20. А так как диаметры отверстий должны быть часто значительны, то объективы коллиматоров обычно имеют большие значения фокусных расстояний. Фокусные расстояния объективов коллиматоров достигают 5 и более метров. В приборах часто применяют объективы с фокусными расстояниями 400—600 мм. Преобладающее число объективов коллиматоров и автоколлиматоров состоит из двух линз, составляющих ахроматический объектив. Линзы объектива разделяются воздушным промежутком, если диаметр линз превосходит 60 мм.

Пример 29. Определить необходимый световой поток электролампы фотореле, если фотоэлемент имеет площадь 4 см2 и для него необходим световой поток в 0,1 лм. Коэффициент пропускания света 0,78, а фокусное расстояние объектива коллиматора фотореле f'=90 мм.

Решение. Определим необходимую освещенность фотоэлемента по формуле (24,7), имея в виду, что F=0,1 лм, a Sc = 0,0004 м2:

формула

Такой характеристике соответствует лампа для сигналов 6 в, 4 вт, имеющая световой поток 35 лм