Зрительная труба

Министерство  образования Российской Федерации

Филиал  ГОУВПО Московского энергетического  института

    (технического  университета) в г. Смоленске 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

     Кафедра ОЭС 
 
 
 
 
 
 

     КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

     по  дисциплине «Прикладная оптика»

     «ЗРИТЕЛЬНАЯ ТРУБА» 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                 Преподаватель: Гавриленков  В. А.

                                                 Группа: ОЭС-05

                                                 Вариант: №7

                                                 Студент: Жбанова В.Л. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Смоленск 2008 
 

АННОТАЦИЯ 

       Автор: Жбанова В.Л. 

     Название: Зрительная труба. 

       Страниц 42, рисунков 17, таблиц 32, приложений 4, литературных источников 5.

       В настоящем курсовом проекте разработана  зрительная труба, состоящая из четырех компонентов: объектива, окуляра, коллектива и оборачивающей системы. Выполнен габаритный расчет оптической системы. Так же обосновали конструктивные параметры и произвели расчет остаточных аберраций оптической системы.

       С учетом результатов аберрационного расчета компонентов оптической системы была произведена небольшая  ее коррекция.

       Была разработана принципиальная оптическая схема системы. Разработанная зрительная труба имеет следующие характеристики: Г_т =7^х,          D_вх.зр = 35 мм, D’_вых.зр=5 мм, 2ω = 6⁰. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 
 

     1. Обоснование исходных данных для расчета оптической системы 

2. Структурный и параметрический синтез оптической системы

 

3. Обоснование компонентов оптической системы

 

4. Коррекция оптической системы с учетом результатов  аберрационного расчета ее компонентов

 

5. Оценка  критериев качества оптической системы

 

6. Разработка  принципиальной оптической схемы 

 

7. Оформление  слайдов и пояснительной записки

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Существует  большая группа оптических приборов (ОП), позволяющих человеку рассматривать  глазом удаленные предметы. К числу  таких приборов относятся бинокли, зрительные трубы, астрономические наблюдательные телескопы, стереотрубы, перископы, дальномеры, прицелы, геодезические приборы и т.д. Оптические системы таких приборов называют телескопическими системами. Телескопическая система – это система, состоящая из первого положительного и второго положительного или отрицательного компонентов. Компоненты расположены таким образом, что задний фокус первого совпадает с передним фокусом второго и оптический интервал ∆=0.

     Эти системы обладают тем основным свойством, что пучок параллельных лучей, поступающий во входной зрачок системы, выходит через выходной зрачок пучком параллельных лучей.

     Предметная  плоскость относительно телескопической оптической системы (ТОС) находится на расстоянии много большем диаметра входного зрачка. Поэтому лучи, выходящие из разных точек предметной плоскости и приходящие во входной зрачок, будут параллельны друг другу; лучи, выходящие из осевой точки предметной плоскости, кроме того, будут параллельны оптической оси системы.

     В данной работе производится расчет зрительной трубы (ЗТ). Основные характеристики зрительной трубы (видимое увеличение Г_т, диаметр выходного зрачка D’) указываются в техническом задании на ее проектирование, а также должны быть известны такие величины, как длина системы L, угловой предел разрешения ψ, положение выходного t’ или входного зрачков t.

       В нашей ЗТ будет 4 компонента: объектив, окуляр, коллектив и оборачивающая система. Все эти компоненты будут рассчитаны и тщательно подобраны для нашей ТОС, как того требует техническое задание. 
 
 
 
 

1. Предварительный габаритный расчет ОС прибора

 

1. Анализ  технического задания  и обоснование функциональной схемы

 

     Задачей настоящего курсового проекта является разработка зрительной трубы. Технические требования на проектирование представлены в табл.1.1.1.

     Таблица 1.1.1

     Технические требования на проектирование

 

     Решение этой задачи предполагает обоснование  функциональной и расчетной схем, выполнение габаритного и аберрационного расчетов, а также разработку принципиальной оптической схемы зрительной трубы.

     Согласно  ТЗ необходимо разработать телескопическую оптическую систему: зрительную трубу. В нее входят компоненты представленные в табл.1.1.2. Сама схеме представлена на рис.1.2.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 1.1.2

     Компоненты  ТОС зрительной трубы

 

     Основными компонентами для зрительной трубы, как и для всех телескопических  систем, являются объектив и окуляр.

     Объектив строит изображение предметов в задней фокальной плоскости. Это изображение рассматривают через окуляр, т.е. изображение является предметом для окуляра. Т.к. этот «предмет» расположен в передней фокальной плоскости окуляра, то последний строит его изображение в бесконечности. Следовательно, на выходе окуляра будем получать пучки параллельных лучей, выходящих из разных точек «предмета», и эти лучи будут сопряжены с лучами в пространстве предметов.

     Объективы ТОС всегда положительные компоненты, а окуляры могут быть положительными и отрицательными. При этом, если окуляр положительный (f’ > 0), то ОС называют ТОС Кеплера, в противном случае (при f’ < 0) - ТОС Галилея.

     Для улучшения характеристик ТОС  в них кроме основных компонентов  применяют оборачивающие компоненты и коллективы.

     Основным  достоинством ЗТ с призменными оборачивающими системами или призмами является компактность конструкции, но при этом увеличивается масса прибора  и возникают трудности технологического порядка, связанные с изготовлением  и юстировкой призм.

     Прямое  изображение в ЗТ Кеплера можно  получить, вводя в ее оптическую схему линзовую оборачивающую систему. В этом случае даже при применении сложной, например пятилинзовой, оборачивающей  системы удается уменьшить по сравнению с призменной массу  прибора в 2 раза. Линзовые системы могут быть однокомпонентными, но чаще используют двукомпонентные системы.

     Коллективной  линзой, или коллективом, называется линза, устанавливаемая в плоскости  изображения или вблизи нее для  изменения хода наклонного пучка  лучей. Поэтому иногда ее называют полевой линзой.

     Коллективная  линза изменяет положение выходного  зрачка системы и диаметры последующих  компонентов оптической системы  зрительной трубы. Коллективы могут  быть положительными и отрицательными. Действие положительного коллектива проявляются в том, что он отклоняет к оптической оси наклонные пучки лучей, действие отрицательной – обратное.

     Главной задачей оптического  расчета ОС является определение оптических и конструктивных параметров ее компонентов, необходимых для построения принципиальной оптической схемы: фокусные расстояния окуляра, объектива, коллектива и оборачивающей системы, габаритные размеры окуляра, объектива, коллектива и оборачивающей системы, диаметр и вынос выходного зрачка, диаметр полевой диафрагмы, световые диаметры окулярных и объективных линз и угловое поле окуляра. 
 

2. Габаритный расчет оптической системы

 

     В задачи габаритного расчета ОС входит нахождение продольных и поперечных размеров оптических компонентов, расстояний между ними, угловых и линейных полей. При выполнении этого расчета допускается считать все компоненты тонкими и идеальными. Это позволяет представить оптическую систему зрительной трубы в виде расчетной схемы (рис. 1.2.1.). Расчет рекомендуется начинать с окуляра, затем определять параметры объектива, оборачивающей системы и коллектива.

Рис. 1.2.1. Расчетная схема оптической системы ЗТ: Об – объектив, Ок – окуляр,                          Кол – коллектив, Обс – оборачивающая система, АЛ – апертурный луч, ПЛ –главный полевой луч, АД – апертурная диафрагма, ПД – полевая диафрагма 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  окуляра

     Из  технического задания нам дан  окуляр Фраунгофера, необходимо найти оптимальные его параметры для нашей зрительной трубы. Каталожные параметры окуляра Фраунгофера представлены в табл.1.2.3 [1].

     Таблица 1.2.3

     Исходные  параметры окуляра

       
 
 
 
 
 
 

 
 

     Эскиз окуляра представлен на рис.1.2.2.

     Рис.1.2.2. Эскиз окуляра Фраунгофера

     Произведем  перерасчет параметров окуляра, используя  коэффициент подобия k [2], который определяется по формуле:

                                                   k= S′_F′Д / S′_F′К,                                                 (1.2.1)

где S′_F′Д – действительное значение заднего фокального отрезка окуляра, S′_F′К –каталожное значение заднего отрезка окуляра.

     Задний  фокальный отрезок является одним  из важных характеристик окуляра, который  определяет положение (вынос) выходного  зрачка окуляра t’ (t’ ≈ S′_F′Д, что соответствует [2]). Для нашего окуляра t’ ≥18 мм, тогда примем t’ ≈ S′_F′Д =18 мм,        а S′_F′К=21,59 мм (см. табл.1.3). Для нахождения подобия воспользуемся формулой (1.2.1): k= 18 / 21,59=0,83.

     Такой коэффициент подобия удовлетворяет  требованиям при пересчете окуляров: так как k не должен отличаться от единицы больше, чем на 25-30% [2].     В нашем случае k составляет 17% от единицы, что допустимо. Все параметры каталожного окуляра нужно перемножить на 0,83, по формулам из [2]:

                                                      r_р = k · r_к ,                                                 (1.2.2)

                                                     d_р = k · d_к ,                                                (1.2.3)

где r_к, d_к – каталожные радиус и толщина соответственно; r_р, d_р – пересчитанные радиус и толщина соответственно.

     Полученные  значения представлены в табл.1.2.4.

     Таблица 1.2.4

                                  Пересчитанный окуляр Фраунгофера

       
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рассчитаем диаметр полевой диафрагмы по формуле [2]:

                                                  D_ПД =2 · f’_ок · tg ω_ок .                                             (1.2.4)

     Получим: D_ПД =2 · 20 · tg 20⁰ = 14,6 (мм).

     Диаметр линзы окуляра D_ок и его световой диаметр D ^св_ок примем после расчета хода полевого луча (ПЛ). 
 
 
 
 

Расчет  объектива

     Рассчитаем  необходимое фокусное расстояние для объектива по формуле [2]:

                                                         f’_об = f’_ок · Г_т.                                               (1.2.5)

     Получим, f’_об = 20·7=140 (мм).

     Выберем один из каталожных объективов, фокусное расстояние которого наиболее близко по значению к рассчитанному. Параметры выбранного объектива из [1] представим в табл.1.2.5.

     Таблица 1.2.5

                                    Параметры двухлинзового объектива

       
 
 
 
 
 
 

     Эскиз объектива представлен на рис.1.2.3.

     

     Рис.1.2.3. Эскиз двухлинзового объектива

     Зная  фокусное расстояние объектива (f’_об=140 мм), определим коэффициент подобия по формуле [2]:

                         k = f’_об.р / f’_об.к,                                                (1.2.6)

где f’_об.р – рассчитанное фокусное расстояние объектива, f’_об.к – каталожное фокусное расстояние объектива.

     Получим,  k =140/127,62=1,1. Такой пересчет допустим для двухлинзового объектива: значение k отличается от единицы на 10%, что < 50% [2].

     Пересчитаем каталожный объектив с учетом полученного  коэффициента подобия по формулам (1.2.2)-(1.2.3). Полученные параметры представим в табл.1.2.6.

     Таблица 1.2.6

                     Параметры пересчитанного двухлинзового  объектива

       
 

       
 
 
 

     Рассчитаем  диафрагменное число по формуле из [2]:

                                                          к = f’_об/D,                                                    (1.2.7)

где  f’_об – фокусное расстояние объектива, D – диаметр входного зрачка.

     Диаметр входного зрачка рассчитаем по формуле из [2]:

                                                         D = D’ · Г_т,                                                   (1.2.8)

     Получим,  D = 5·7 = 35 (мм), тогда к = 140/35 = 1/4.

     Примем, D_АД = D_ок = D^св_об = D = 35 мм.

     Угловое поле объектива найдем по формуле  из [2]:

                                                       Г_т = tgω_ок / tgω_об,                                             (1.2.9)

     Откуда, ω_об = arctg(tgω_ок / Г_т), применив эту формулу получим:

     ω_об = arctg(tg20⁰/7) = 3⁰.

    Полный  диаметр объектива складывается из светового диаметра и припуска на крепление [2]:

                                                        D_п=D^св_об+2DD,                                               (1.2.10)

где D^св_об - световой диаметр объектива, DD – припуск на крепление.

    Выберем тип крепления объектива – завальцовка. По [2], если световой диаметр в пределах 30-50 мм, то припуск на крепление завальцовкой составляет DD= 1,5 мм. Тогда диаметр объектива по формуле (1.2.10) составит D_об=38 мм. 
 
 

Расчет  оборачивающей системы

     В техническом задании нам дан  однолинзовый оборачивающийся компонент c β = -1^×. Необходимо найти его параметры, которые соответствовали бы нашей зрительной трубе.

     Зададим параметры однолинзового оборачивающего компонента. Выберем диаметр линзы из соображения D ^св_обс = D_вх.зр. = 35 мм.

      Из  условия  минимума аберраций, значение относительного отверстия выберем  следующим:

                                               D ^св_обс / f’_обс = 1/2.                                               (1.2.11)

      Из  формулы (1.8) найдем фокусное расстояние оборачивающего компонента:

      f’_обс = D_обс · 2 = 35·2 = 70 (мм).

     Выберем тип крепления объектива – завальцовка. По [2], если световой диаметр в пределах 30-50 мм, то припуск на крепление завальцовкой может составляеть: DD= 1,0 мм. Тогда диаметр оборачивающей линзы по формуле (1.2.10) составит D_обс=37 мм.

      Так же учтем, что а_обс= а’_обс=2 f’_обс =2·70=140 (мм) [5].

      Эскиз оборачивающего компонента представлен на рис.1.2.4.

                                          Рис.1.2.4. Эскиз оборачивающей линзы 
 
 
 
 
 

Расчет  коллектива

     При расчете световых диаметров, световой диаметр окуляра превосходит  его конструктивный диаметр, в результате чего наблюдается такой эффект как виньетирование наклонных пучков лучей оборачивающей системой при ограниченном ее диаметре. Для уменьшения этого эффекта устанавливают дополнительный компонент, называемый коллективом. Коллективная линза или коллектив, устанавливается в плоскости изображения или вблизи нее для изменения хода наклонного пучка лучей. Поэтому ее иногда называют полевой линзой. Коллективная линза меняет положение выходного зрачка системы и диаметры последующих компонентов оптической системы зрительной трубы. Коллективы могут быть положительными и отрицательными. Действие положительного коллектива проявляется в том, что он отклоняет к оптической оси наклонные пучки лучей. Введение коллектива позволяет при заданном угловом поле оптической системы уменьшить диаметр окуляра или при заданном диаметре окуляра увеличить угловое поле системы [3].

     В нашем случае целесообразно установить коллектив в плоскости полевой  диафрагмы. Коллектив будем рассчитывать таким образом, чтобы крайний  луч наклонного пучка отклонялся на край окуляра. Из формулы Гаусса [3]:

                                                       

,                                        (1.2.12)