Призменный монокуляр

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Кафедра «Оптико-электронные приборы научных исследований»

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине

«Прикладная оптика»

 

Тема: Призменный монокуляр.

 

Задание 1-2

 

 

Студент: Мишин С.В.,

гр. ОЭ3-61

Руководитель: Дягилева А.В.

 

 

 

Красногорск

2011 год 
Оглавление

 

Призменный монокуляр

Введение……………………………………………………………………3

Техническое задание……………………………………………………...5

1.Определение  основных характеристик оптической системы….....5

2.Габаритный расчёт  призменного монокуляра……………………...7

2.1 Определение  углового поля окуляра 2ω’………………………………...8

2.2 Определение  заднего фокусного расстояния  окуляра f’ок……………8

2.3Определение заднего фокусного расстояния  объектива f’об………….8

2.4 Определение  диаметра входного зрачка монокуляра…………………..8

2.5 Расчёт призмы………………………………………………………………..8 

2.6 Определение  диаметра полевой диафрагмы……………………………..11

2.7 Выбор окуляра………………………………………………………………..11

2.8 Определение  диаметра объектива и его относительного  отверстия….13

3.Аберрационный  расчёт призменного монокуляра…………………..14

3.1. Определение  аберраций окуляра и призмы  в обратном ходе лучей…..14

3.2 Определение  аберраций объектива…………………………………………16

3.3. Определение  конструктивных параметров и  выбор объектива……….16

3.4 Контрольный  тригонометрический расчёт объектива…………………..19

3.5 Расчёт аберраций  объектива и оценка остаточных  аберраций 

всей системы…………………………………………………………………...19

4. Оценка качества  изображения оптической системы  призменного монокуляра…………………………………………………………………...21

5. Светоэнергетический  расчёт…………………………………………….23

5.1 Расчёт системы  без просветления…………………………………………....23

5.2 Расчёт системы  с просветлением…………………………………………….23

6. Разрешающая  способность призменного монокуляра……………….24

Приложение 1…………………………………………………………………25

Приложение 2…………………………………………………………………28

Приложение 3…………………………………………………………………31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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

Призменный монокуляр применяется и как самостоятельный прибор (буссоль, перископы и т.п.), и как составная часть стереоскопических наблюдательных систем (дальномеры, стереотрубы).

Если в монокуляре используется одиночная призма, то для получения прямого изображения в приборе она должна иметь крышу.

Рассмотрим схемы некоторых призменных монокуляров. Призма Шмидта (рис. 1) позволяет иметь в монокуляре угловое поле не более 8° и образует угол отклонения в 45° между визирной осью (оптической осью в пространстве предметов) и оптической осью окуляра. Монокуляр с призмой Аббе (рис. 2) иногда используется для изготовления призматических биноклей. Призма Пехана (рис. 3) позволяет получить компактную вдоль оси оптическую систему благодаря большой длине хода лучей внутри призмы. Если наблюдательный прибор должен иметь повышенные пластичность и компактность, то следует применять в схеме призму Лемана (рис. 4).

На рис. 5 и 6 показаны оптические схемы монокуляров с призменными системами О.Н. Малафеева (соответственно I и II рода, в иностранной литературе известных как системы Порро). Особенностью этих схем является то, что оптические оси объектива и окуляра не лежат в одной плоскости.

 

Приведенная на рис. 7 оптическая схема монокуляра стереотрубы включает следующие элементы:

1 – защитное стекло, 
2 – головная призма АР-90, 
3 – объектив, 
4 – башмачная призма с крышей, 
5 – клин, 
6 – сетка, 
7 – окуляр.

У монокуляра стереотрубы повышенная перископичность, которая оценивается расстоянием между оптическими осями объектива и окуляра.

Разработка оптической системы призменного монокуляра осуществляется в такой последовательности:

1.Обоснование выбора оптической схемы и определениеосновных характеристик.

2. Габаритный расчёт.

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

4. Расчёт 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.

Естественно, что для наблюдения за удалённым объектом необходима телескопическая система, состоящий как минимум из объектива и окуляра. Для согласования направления на объект и горизонтального расположения зрительной оси оператора необходима отражательная призма. А так как изображение должно быть прямым, призму снабжают крышей

 

 

 

Техническое задание.

 

Спроектировать прибор для визуального слежения за сближением ракеты с целью, которое происходит на высоте Н = 30 км и в S = 18 км по горизонту от пункта наблюдения. Слежение должно начинаться при удалении ракеты от цели в y = 1,8 км. Прибор должен отчётливо уловить отклонения ракеты от цели в Δy = 28 м.

Длина системы L = 180 мм. Коэффициент виньетирования kw = 0,5.

Согласно ТЗ оптическая схема призменного монокуляра должна состоять из следующих частей:

1. объектива;

2. призмы;

3. окуляра;

4. сетки, которая может быть расположена в совмещённых фокальных плоскостях.

1.Определение основных характеристик оптической системы

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

1). Определим дистанцию  Д до наблюдаемого объекта:

Рис.8

Согласно рис. 8 имеем:

2). Определим угол наблюдения  α:

3). Определяем угловое  поле 2ω (см. рис.9):

  

Рис.9

Примем .

4). Определяем видимое  увеличение прибораГт:

- угловой предел разрешения  прибора в пространстве предметов

- угловой предел разрешения  прибора в пространстве изображений. Примем его равным угловому  пределу разрешения глаза

Тогда:

Следует помнить, что призма с крышей имеет , поэтому при расчёте призменного монокуляра следует принимать Гт = -5х.

5). Определение величины выходного  зрачка призменного монокуляра  D’:

Примем D’ = Dглсум = 5мм. Т.е считаем, что диаметр выходного зрачка монокуляра равен диаметру входного зрачка человеческого глаза в сумерках.

Итак, необходимо рассчитать систему призменного монокуляра, имеющего следующие характеристики:

Гт= -5х; 2ω = 6о; D’ = 5мм; L = 180мм; kw = 0,5.

 

 

2.Габаритный  расчёт призменного монокуляра

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

Для удобства расчета оптическую схему (рис. 10) призменного монокуляра развернем по горизонтальной оси и заменим призму эквивалентной пластинкой. На рис. 2.1 показаны осевой и наклонный пучки лучей, рассмотрение хода которых позволяет провести габаритный расчёт.

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 , через систему пропускают только часть его, симметричную относительно главного луча. Ширина этой части наклонного пучка во входном зрачке измеряется величиной , где –диаметр входного зрачка.

 

 

 

2.1 Определение углового  поля окуляра 2ω’:

2.2 Определение заднего фокусного расстояния окуляра f’ок:

2.3 Определение заднего фокусного расстояния объективаf’об:

2.4 Определение  диаметра входного зрачка монокуляра:

При определении углового поля и фокусного расстояния окуляра увеличение берем отрицательным т.к. прямое изображение получается за счет призмы – увеличение призмы равно минус единице. При определении диаметра входного зрачка – увеличение берем положительным.

2.5 Расчёт  призмы:

Расчёт 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 диаметромD.

В нашем примере призма должна отклонить оптическую ось на 60°, следовательно, с учетом полного перевертывания изображения в монокуляре следует поставить, как уже говорилось, прямоугольную призму с крышей АкР-60 (рис. 11), основные размеры которой:

,

где d – длина хода луча в призме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.11

Наилучшим положением призмы будет такое, при котором расстоянию от призмы до фокальной плоскости в пространстве изображений после окуляра соответствует разность сходимостей в диоптрий. Расстояние от фокальной плоскости окуляра до призмы (рис. 12), соответствующее разности сходимостей в диоптрий, можно определить по формуле:

При Δ=10 дптр.:

При Δ=20 дптр.:

Примем Δ=15 дптр, тогда:

Для определения величинырассмотрим ход лучей после объектива (рис. 2.3). Свободное отверстие на входной грани призмы может определяться ходом луча 1 (), идущего через край входного зрачка параллельно оптической оси, или луча 2 (), идущего под углом и пересекающего плоскость входного зрачка на высоте:

    (1)

где –тангенс угла луча 1 после объектива,–показатель преломления среды, –расстояние от фокальной плоскости окуляра до призмы; или:

(2)

где –тангенс угла луча 2 после объектива, –показатель преломления среды, –расстояние от свободного отверстия на выходной грани призмы до задней главной плоскости объектива.

Свободное отверстие на выходной грани определяется лучом 2:

  (3)

Рис. 12

Углы лучей 1 и 2 с оптической осью после объектива определяются по формуле:

 

Тогда:

Значение диаметра D2вычисляем по формуле (3):

Определяем диаметры D1’ иD1’’:

Пусть призма будет изготовлена из стекла К8, показатель преломления для основного цвета    .

Расстояние ;

Берём наибольшую величину D2, добавляем к ней припуски материала на фаски, крепление и юстировку и получаем:

Теперь определяем все параметры призмы:

Определим расстояние e1 от задней главной плоскости объектива до призмы:

2.6 Определение  диаметра полевой диафрагмы

2.7 Выбор  окуляра

По фокусному расстоянию f’оки угловому полю 2ω’ выбираем окуляр:

 

Выбираем окуляр С1-25.1, имеющий следующие параметры:

Выполняем пересчёт на фокусное расстояние . Для этого все линейные размеры умножаем на

Конструктивные параметры окуляра С1-25.1, пересчитанного на

Радиус, мм	Толщина, мм	Показатель преломления	Марка стекла	Световой диаметр, мм
		n1=1	-	-
r1= 82.690
	d1=1.805	n2=1.620543	Ф2	26.476
r2=25.321
	d2=9.026	n3=1.518294	К8	26.476
r3= - 36.766
	d3=0.120	n4=1	-	-
r4= 36.405
	d4=9.026	n5=1.518394	К8	26.476
r5= - 25.321
	d5=1.805	n6=1.620543	Ф2	26.476
r6= -82.690
		n7=1	-	-

Находим положение выходного зрачка монокуляра:

 

Рис. 13.

Считаем, что входной зрачок призменного монокуляра совпадает с оправой объектива, поэтому ap = 0. Согласно рис. 13 имеем:

Световой диаметр коллективной линзы окуляра определяем по формуле: