a) Gá lắp thấu kính
Thông thường gá lắp thấu kính người ta sử dụng 2 phương pháp sau:
– Phương pháp định vị mặt biên: lấy mặt biên thấu kính là mặt định vị, lực kẹp song song với quang trục.
+ Ưu điểm: có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo.
+ Nhược điểm: khi mặt biên bị nghiêng hoặc không trùng với quang trục sẽ gây ra
sai lệch vị trí thấu kính dẫn đến trục quang và trục cơ không trùng nhau. Lực kẹp gây ứng suất bất đối xứng trên bề mặt thấu kính.
54
a) b)
Hình 3.15. Định vị thấu kính bằng mặt biên: a) quang trục bị nghiêng; b) quang trục không trùng trục cơ.
– Phương pháp định vị mặt cầu: sử dụng mặt cầu thấu kính là mặt định vị, kẹp
chặt bằng vòng kẹp. Trong hình 3.16 mặt R1 định vị lên mặt đầu của lỗ trụ gá do đó
tâm C1 nằm trên trục cơ của mặt A.
Hình 3.16. Định vị thấu kính bằng mặt cầu
Khi thấu kính bị nghiêng, tâm C2 của mặt cầu R2 không nằm trên trục cơ. Lực kẹp chặt P chỉ tác dụng lên phần trên của thấu kính, thành phần hướng tâm P.sinI.cosI sẽ kéo thấu kính trượt ngang đưa tâm C2 về trục cơ khí, khi đó quang trục của thấu
kính trùng với trục cơ. Như vậy thấu kính có khả năng tự định tâm khi P.sinI.cosI
thắng được lực ma sát giữa bề mặt thấu kính và mặt A. Quang trục trùng với trục cơ
nên thấu kính ở vị trí thẳng đứng, vòng kẹp tiếp xúc với thấu kính trên toàn vòng tròn, đồng thời các thành phần lực hướng tâm cân bằng nhau giữ thấu kính cố định. Điều kiện để có khả năng tự định tâm [13]:
55
(yC / 2R1) – (yC / 2R2) ≥ 0,07 (3.19)
Chú ý sử dụng quy ước dấu cho các bán kính cong thấu kính.
Nếu lực kẹp lớn và có tiếp xúc cơ khí giữa mặt biên thấu kính và mặt trụ trong A của ống gá, thấu kính sẽ bị nghiêng và gây tập trung ứng suất. Vì vậy, cần phải tồn tại khe hở hướng tâm khi lắp thấu kính vào ống gá. Khi đó mặt biên thấu kính có thể bị nghiêng hoặc không đồng tâm với quang trục, tuy nhiên điều này không ảnh hưởng đến vị trí của thấu kính và không gây tập trung ứng suất.
Hình 3.17. Tồn tại khe hở giữa thấu kính và mặt A.
Nếu mặt ống gá có sai lệch, thấu kính cũng sẽ bị nghiêng trục. Các trường hợp điển hình:
Hình 3.18. Sai lệch vị trí mặt định vị:
(a) mặt A không song song với B và mặt C không vuông góc với B; (b) mặt A không đồng tâm với B; (c) mặt C không vuông góc với A.
56
Hình 3.19. Dùng vít kẹp chặt và điều chỉnh thấu kính.
Nếu bề mặt thấu kính có độ cong nhỏ không đủ tự định tâm ta có thể sử dụng các vít để kẹp chặt và điều chỉnh vị trí của thấu kính.
Do luôn phải tồn tại khe hở giữa ống gá và thấu kính nên dung sai đường kính trong của ống gá là dương và đường kính biên của thấu kính là âm. Ví dụ, đường kính
trong của ống gá D = mm, đường kính biên thấu kính d =
mm. Khe hở hướng kính danh nghĩa sẽ là 50,800 – 50,720 = 0,040 mm.
– Một số phương pháp kẹp chặt thấu kính
Có nhiều phương pháp kẹp chặt thấu kính trên ống gá, việc lựa chọn phương
pháp để tiến hành thiết kế phụ thuộc vào đặc điểm kích thước và làm việc của thấu
kính.
+ Kẹp chặt bằng phương pháp cuộn mép
Phương pháp cuộn mép sử dụng phổ biến cho các thấu kính có kích thước nhỏ như: thấu kính hiển vi, vật kính máy ảnh hoặc thấu kính đèn nội soi… Các thiết bị này không có không gian để sử dụng các đồ gá định vị và kẹp chặt có khả năng tháo lắp. Vòng gá thường được chế tạo bằng các vật liệu dẻo như hợp kim đồng, nhôm có phần mép thành mỏng. Sau khi lắp thấu kính thực hiện cuộn mép để kẹp chặt. Thấu kính tỳ lên mặt đầu lỗ hoặc tấm đệm.
57
Hình 3.20. Kẹp chặt thấu kính bằng phương pháp cuộn mép.
Hình 3.21. Lò xo xoắn duy trì lực kẹp thấu kính.
Trong một số trường hợp người ta lắp thêm vòng đệm đàn hồi hoặc lò xo để duy trì áp lực lên thấu kính, tạo tính linh hoạt khi nhiệt độ thay đổi gây biến dạng các chi tiết.
+ Vòng hãm ren
Kẹp chặt thấu kính bằng vòng hãm ren được sử dụng rất phổ biến. Vòng hãm ăn khớp ren với ống gá.
58
Hình 3.22. Thấu kính được kẹp chặt bằng vòng hãm ren.
Các vòng hãm có xu hướng tiếp xúc với bề mặt thấu kính ở 3 điểm cao nhất, khi lực kẹp lớn gây tập trung ứng suất và biến dạng bề mặt. Để giải quyết vấn đề này có thể dùng một số biện pháp sau:
Hình 3.23. Một số biện pháp giảm tập trung ứng suất trên bề mặt thấu kính.
+ Vòng kẹp đàn hồi
Thấu kính được kẹp chặt bằng vòng kẹp đàn hồi có dạng như hình 3.42. Áp
dụng phổ biến cho các thấu kính có khẩu độ lớn.
59
Một chỉ tiêu quan trọng để tính toán thiết kế vòng kẹp đàn hồi là ứng suất phần bị uốn không được vượt quá giới hạn bền của vật liệu.
Vật kính chuẩn trực trong thiết kế là vật kính có kích thước cỡ trung bình, để đảm bảo độ chính xác vị trí, dễ tháo lắp và thay thế ta chọn phương án định vị vật kính trên mặt cầu và kẹp chặt bằng vòng hãm ren.
b) Gá lắp lăng kính
Gá lắp lăng kính bao gồm định vị và kẹp chặt lăng kính. Định vị lăng kính phải khống chế ít nhất 3 bậc tự do. Trên hình 3.25 là một lăng kính lập phương được khống chế cả 6 bậc tự do bởi 6 viên bi cầu bố trí trên 3 mặt vuông góc. Mặt đáy lăng kính tỳ lên 3 bi cầu trên mặt phẳng X-Z khống chế 3 bậc tự do (tịnh tiến theo trục Y, quay quanh trục X và Z). Hai bi cầu trên mặt phẳng Y-Z hạn chế 2 bậc tự do (tịnh tiến theo trục X và quay quanh trục Y) và bi cầu trên mặt phẳng X-Y sẽ hạn chế bậc tự do tịnh tiến theo phương Z. Lực kẹp tác dụng tại đỉnh lăng kính hướng vào gốc tọa độ. Trong trường hợp lý tưởng, lực này đi qua trọng tâm của lăng kính.
Hình 3.25. Định vị lăng kính hạn chế 6 bậc tự do
Cũng có thể tác dụng 3 lực vuông góc đẩy lăng kính tỳ lên các bi cầu. Lăng kính tiếp xúc điểm với bi cầu do đó khi có lực kẹp sẽ gây tập trung ứng suất trên bề mặt lăng kính.
Bi cầu được thay bằng tấm đệm phẳng có dạng vuông hoặc tròn để phân tán lực trên bề mặt. Các tấm đệm trên một mặt phải đồng phẳng và vuông góc với các tấm đệm trên các mặt còn lại. Khi không đồng phẳng, tiếp xúc giữa lăng kính và tấm đệm chỉ là
60
tiếp xúc đường hoặc điểm lực kẹp gây tập trung ứng suất và biến dạng cho lăng kính (đường gạch đứt trên hình 3.26).
Hình 3.29. Định vị lăng kính trên các tấm đệm không đồng phẳng..
Đồ gá lăng kính thường được chế tạo thành cụm giúp tháo lắp và thay thế dễ dàng trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác. Hình 3.30 là một cụm đồ gá lăng kính gồm: đế 1 mang lăng kính, phía dưới có 3 bi cầu. Trên đế 2 có rãnh chữ V và lỗ dạng tam diện. Ba bi cầu trên đế 1 định vị trên rãnh chữ V, lỗ tam diện và mặt phẳng đế 2 sẽ hạn chế 6 bậc tự do. Lỗ tam diện có thể thay bằng lỗ côn. Các bi cầu cũng có thể định vị trên 3 rãnh chữ V hoặc 3 đôi chốt xuyên tâm (hình 3.30b, c).
Hình 3.30. Cụm đồ gá lăng kính:
1 – Tấm trên; 2 – Tấm dưới; 3 – Rãnh chữ V; 4 – Bi cầu; 5 – Lỗ côn.
Gá lắp lăng kính cần chú ý mặt phản xạ nhạy với biến dạng hơn nhiều so với mặt khúc xạ. Các mặt phản xạ toàn phần không nên có tiếp xúc cơ khí có thể làm mất tính phản xạ toàn phần.
– Một số phương pháp gá lắp lăng kính thường dùng
61
Hình 3.31a là sơ đồ gá lăng kính lập phương chia chùm. Lăng kính được định vị hạn chế 5 bậc tự do bởi 5 chốt tỳ, tương ứng với mỗi chốt tỳ là một lò xo kẹp chặt.
Hình 3.31. Sơ đồđịnh vị và kẹp chặt lăng kính lập phương.
Chùm hội tụ sau khi đi qua lăng kính sẽ tách thành hai chùm tia (hình 3.31b). Trên mỗi mặt phẳng ảnh người ta đặt một cảm biến phát hiện sự thay đổi của lăng kính
khi nhiệt độ thay đổi. Lăng kính không được dịch chuyển theo các phương X, Y hoặc
quay quanh các trục. Dịch chuyển theo phương Z không làm thay đổi tính chất quang. Đường gạch đứt thể hiện sự giãn nở của lăng kính khi nhiệt độ tăng, điều không ảnh hưởng đến đường truyền của tia sáng.
Khi hệ lăng kính không có dạng lập phương, thiết kế đồ gá sẽ phức tạp hơn. Ở hình 3.32a, lăng kính vuông góc được định vị trên các mặt khúc xạ. Mặt đáy hạn chế 3 bậc tự do bởi các chốt tỳ đồng phẳng a, b và c. Các chốt d và e hạn chế 2 bậc tự do ở mặt phẳng góc vuông còn lại. Mặt bên tỳ vào chốt f hạn chế 1bậc tự do. Hai lực F1, F2 tác dụng vuông góc lên mặt huyền của lăng kính. Lực Fx đẩy lăng kính tỳ lên chốt f.
62
Các thành phần thẳng đứng và nằm ngang của F1, F2 giữ lăng kính tỳ lên các chốt a, b, c, d và e.
Hình 3.32. Gá đặt lăng kính AP – 900 và lăng kính Porro.
Trong hình 3.32c, mặt huyền của lăng kính Porro định vị trên 3 chốt tỳ đồng
phẳng a, b và c. Một mặt bên và một cạnh định vị trên các chốt d, e và f. Ba lực kẹp Fx, Fy và Fz ép lăng kính tỳ lên các chốt định vị.
Người ta thường kẹp chặt lăng kính bằng tấm kẹp (hình 3.33). Ưu điểm của đồ gá này là khẩu độ thông quang không bị che khuất, mặt làm việc không bị biến dạng.
63
Hình 3.33. Kẹp chặt lăng kính bằng vít và lò xo lá.
Hình 3.34 là một dạng gá đặt khác. Lăng kính 5 cạnh định vị trên 3 chốt tỳ đồng phẳng lắp trên đế, hạn chế 3 bậc tự do. Ba tấm kẹp đàn hồi kẹp chặt lăng kính phía trên. Các bậc tự do còn lại được hạn chế bởi các chốt tỳ và kẹp chặt bằng lò xo lá.
64
+ Định vị lăng kính trên mặt phẳng đế gá
Với phương pháp này lăng kính được định vị trên mặt phẳng đế và kẹp chặt
bằng lò xo lá. Hình 3.35 là sơ đồ gá bộ lăng kính đảo ảnh Porro trong các ống nhòm.
Hai lăng kính được định vị bằng mặt khúc xạ trên hai mặt phẳng đối diện của đế, hạn chế 3 bậc tự do. Trên đế gá có các lỗ thông quang và các lỗ để lắp vào thiết bị. Lò xo tỳ vào mặt đỉnh giữ lăng kính cố định.
Hình 3.35. Gá bộ lăng kính Porro.
Lăng kính đầu quét trong các kính tiềm vọng quân sự cũng được gá theo
phương pháp này (hình 3.36). Lăng kính được định vị bằng mặt phản xạ và giữ cố định trong giá nhôm bằng 4 tấm kẹp. Mặt lăng kính cao hơn giá khoảng 0,5 mm, do đó khi được bắt chặt vào giá, tấm kẹp sẽ biến dạng và sinh lực.
65
Hình 3.36. Gá lăng kính đầu máy.
+ Gá lăng kính bằng chất bám dính
Trong quang kỹ thuật, rất nhiều lăng kính được gắn vào giá bởi lớp bám dính, thường dùng nhựa epoxy. Phương pháp này có ưu điểm đơn giản về kết cấu.
Hình 3.37. Gá lăng kính băng lớp bám dính.
Phương pháp này cần chú ý đến các đặc tính như độ bám dính, độ dày lớp bám dính, độ sạch của các bề mặt được dính kết, sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu, diện tích bám dính và điều kiện môi trường.
Từ những cơ sở trên nhận thấy rằng đối với lăng kính lập phương để đảm bảo
độ cứng vững và tính khả thi trong chế tạo ta lựa chọn phương án định vị lăng kính trên mặt phẳng đế gá kết hợp với chốt tỳ ở mặt bên, kẹp chặt bằng vít và tấm kẹp là phương án để thiết kế bộ đồ gá lăng kính cụm đổi hướng chùm tia.
66