РПЗ (Примеры домашнего задания)

27

Факультет РЛ

Кафедра РЛ3

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе на тему:

«Призменный монокуляр»

Студент _______________ (Брыткова Т.В.) Группа РЛ 3 - 61

Руководитель курсовой работы ___________________ (Бодров С.В.)

2010 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………………………3

1. Обоснование оптической схемы и определение основных оптических характеристик…4

2. Габаритный расчет……………………………………………………………………………6

3. Выбор призмы и расчет ее геометрических размеров……………………………………...8

4. Расчет хода лучей через систему тонких компонентов…………………………………...12

5. Выбор окуляра…………………………………………………………………………...…..15

6. Определение аберраций объектива…………………………………………………………17

7. Расчет объектива……………………………………………………………………………..19

8. Аберрационный расчет призменного монокуляра и оценка качества изображения оптической системы…………………………………………………………………….……...23

9. Светоэнергитический расчет призменного монокуляра.…………….…………………...25

Выводы……………………………………………………………………………………….…27

Литература………………………………………………………………………………...…….28

ВВЕДЕНИЕ

Призменным монокуляром называется прибор, оптическая система (ОС) которого представляет собой простую зрительную трубу с призмой или системой призм для перевертывания изображения, благодаря чему весь прибор создает прямое изображение.

Разработка оптической системы призменного монокуляра осуществляется в такой последовательности:

1. Обоснование выбора оптической схемы и определение основных характеристик.

2. Габаритный расчет.

3. Выбор или расчет окуляра и призмы и определение аберраций объектива.

4. Расчет объектива.

5. Оценка качества изображения.

Основанием для разработки оптической схемы прибора является техническое задание (ТЗ), которое в явном или неявном виде содержит основные характеристики системы, а также требования по достижению определенного качества изображения.

В данной работе необходимо рассчитать призменный монокуляр со следующими основными характеристиками:

Γ_Т =4^Х, 2ω=6°, D'=5 мм , L=200 мм.

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для наблюдения за удаленным объектом необходима телескопическая система, состоящая как минимум из объектива и окуляра. Для согласования направления на объект и положения зрительной оси оператора необходима отражательная призма. А так как изображение должно быть прямым, призму снабжают крышей. В соответствии с заданием, в оптической системе, расчет которой выполняется в данной работе, используется призма АкР-45º. Таким образом, оптической схемой прибора является схема призменного монокуляра, состоящая из объектива, призмы с крышей и окуляра (см рис.1). В случае, если с использованием данного прибора будут проводиться измерения, зрительную трубу необходимо будет снабдить визирной сеткой, которая наносится на плоскопараллельную пластину, устанавливаемую в совмещенных фокальных плоскостях объектива и окуляра. (Примечание: в данной курсовой работе расчет визирной сетки не производится т. к. толщина плоскопараллельной пластины, на которую она может быть нанесена, мала по сравнению с толщиной призмы).

Рис.1. Оптическая схема прибора

1 – объектив, 2 – призма, 3 – визирная сетка, 4 – окуляр.

Основными оптическими характеристиками телескопической системы, как известно являются видимое увеличение Γ_Т, угловое поле 2ω и диаметр выходного зрачка D'. Определим их.

Видимое увеличение можно выразить через отношение угловых пределов разрешения в пространстве изображений () и в пространстве предметов ():

Угловой предел разрешения ' определим исходя из указаний о необходимости иметь впечатление от изображения минимального отклонения не хуже, чем от миллиметровых делений, т.е. '=1/250=0,004, где 250 мм – расстояние наилучшего зрения. Угловой предел разрешения  в пространстве предметов равен =l/(D*√2), т.е.=1/(20000*√2)=0,001 .

Видимое увеличение вычислим по формуле (1) Г_т=0,004/0,001=4^х. Следует помнить, что призма с крышей имеет Г_пр= -1^х, поэтому при расчете зрительной трубы следует принимать Г_т= - 4^х.

=2,7423°. Примем 2=6°.

Примем диаметр выходного зрачка D’=5 мм.

Итак, необходимо рассчитать оптическую систему призменного монокуляра, имеющего: Γ_Т =-4^Х, 2ω=6°, D'=5 мм , L=200 мм.

2. ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ

Габаритный расчет проводится с целью получения исходных данных для расчета отдельных оптических узлов, последующего аберрационного расчета, а также для детальной разработки механической части всего проектируемого прибора.

Для удобства расчета оптическую схему (рис. 2) монокуляра развернем по горизонтальной оси и заменим призму эквивалентной пластинкой. На рис. 2 показаны осевой и наклонный пучки лучей, рассмотрение хода которых позволяет провести габаритный расчет. Для уменьшения размеров монокуляра, главным образом призмы, и достижения лучшего качества изображения на краю поля из всего наклонного пучка лучей, поступающего во входной зрачок под наибольшим углом ₁, через систему пропускают только часть его, симметричную относительно главного луча. Ширина этой части наклонного лучка во входном зрачке измеряется величиной 2m₁=K_ D, где D – диаметр входного зрачка, a K_ – коэффициент виньетирования, который в нашем случае равен 0,5.

Рис. 2. Ход осевого и внеосевого пучка лучей через оптическую систему

Проведем габаритный расчет прибора.

1. Определение углового поля окуляра

,

,

, .

2. Определение фокусного расстояния окуляра

мм.

3. Определение фокусного расстояния объектива

,

мм.

4. Определение диаметра входного зрачка монокуляра

,

мм.

Относительное отверстие объектива .

5. Определение диаметра полевой диафрагмы

Луч 2 (см рис.4) проходит через край полевой диафрагмы, диаметр которой равен

, где ,

мм.

3.ВЫБОР ПРИЗМЫ И РАСЧЕТ ЕЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Расчет призмы состоит в определении диаметра светового пучка лучей, который она должна пропустить, и места призмы между объективом и окуляром. Все остальные размеры отражательных призм даны в нормалях и справочниках для пучка лучей круглого сечения с наибольшим диаметром D.

В данной курсовой работе призма должна отклонить оптическую ось на 45º. Т.к. изображение должно быть прямое, а используем мы одну призму, а не систему призм, призма должна иметь крышу для полного оборачивания. Т. е. как уже говорилось, мы должны использовать призму АкР - 45º.

Рис. 3. Эскиз призмы АкР - 45º

Основные размеры призмы:

где d – длина хода луча в призме.

Следует помнить, что выгодно устанавливать заднюю грань призмы в передней фокальной плоскости окуляра, но при этом:

а) располагать эту грань слишком близко к фокальной плоскости нельзя, так как все дефекты стекла (пузыри, камни, мелкие царапины и пылинки) будут резко видны в поле окуляра и помешают наблюдению;

б) располагать входную грань призмы близко к объективу также нельзя, потому что, во-первых, двоение изображения после призмы вследствие неправильного изготовления угла крыши пропорционально расстоянию от входной грани до фокальной плоскости и, следовательно, потребуется очень жесткий допуск на изготовление угла крыши; во-вторых, призма будет иметь большие размеры, если она будет находиться в широкой части пучка.

Рис. 4 Определение положения и габаритных размеров призмы

Считают, что наилучшим положением призмы будет такое, при котором расстоянию от призмы до фокальной плоскости в пространстве изображений после окуляра соответствует разность сходимостей в 10-20 дптр. Расстояние , от фокальной плоскости окуляра до призмы (рис. 4), соответствующее разности сходимостей в  диоптрий, можно определить по формуле

.

дптр, f’ок=40мм, значит мм. Примем мм.

Для определения значения D рассмотрим ход лучей после объектива (см. рис. 4). Свободное отверстие на входной грани призмы может определяться ходом луча 1 (D'₁), идущего через край входного зрачка параллельно оптической оси, или луча 2 (D''₁), идущего под углом ω₁, и пересекающего плоскость входного зрачка на высоте m_1:

(1),

или . (2)

Свободное отверстие на выходной грани определяется лучом 2: