Расчетно-пояснительная записка
к курсовой работе на тему:
«Призменный монокуляр»
Студент _______________ (Таганцев А.А.) Группа РЛ 3 - 61
Руководитель курсовой работы ___________________ (Сушков А.Л.)
2012 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. Выбор окуляра…………………………………………………………………………...…..15
5. Определение аберраций объектива…………………………………………………………17
6. Расчет объектива……………………………………………………………………………..19
7. Аберрационный расчет призменного монокуляра и оценка качества изображения оптической системы…………………………………………………………………….……...22
Выводы……………………………………………………………………………………….…24
Литература………………………………………………………………………………...…….25
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 для наблюдения за сближением ракеты с объектом, которое происходит на высоте Н=20 км и в d1=10 км по горизонту от пункта наблюдения и в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения. Слежение за сближением должно начинаться при удалении ракеты от объекта на d2=1.5 км. Ось окуляра должна быть горизонтальна. Прибор должен позволять уловить отклонение ракеты от объекта dmin=22 м. Длина системы L = 250 мм.
1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫИ 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. Таким образом, оптической схемой прибора является схема призменного монокуляра, состоящая из объектива, призмы с крышей и окуляра. 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 ΓТ, угловое поле 2ω и диаметр выходного зрачка D'. Определим их.
Видимое увеличение можно выразить через отношение угловых пределов разрешения в пространстве изображений (y¢) и в пространстве предметов (y):
Угловой предел разрешения y' определим исходя из указаний о необходимости иметь впечатление от изображения минимального отклонения не хуже, чем от миллиметровых делений, т.е. y'=1/250=0,004 или y'=13,3', где 250 мм – расстояние наилучшего зрения.
Угловое предел разрешения 
в пространстве предметов равен
Тогда видимое увеличение равно Гт=0.004/0.001=4х или y=3,3'.
Следует помнить, что призма с крышей, которую будем использовать, имеет видимое увеличение 
,поэтому при расчете зрительной трубы следует принимать
Гт= - 4х.
Угловое поле 2w зависит от линейного поля 2y = 3 км и высоты Н=20 км, tgw=y/H, откуда tgw=0,075, w=4,17°. Примем 2w=8°.
Для определения диаметра выходного зрачка воспользуемся [[i]] зависимостью диаметра зрачка глаза от яркости фона, из которой следует, что при L v,Ф =0,45 кд/м2 D гл=5 мм. Считая, что D '= D гл, примем D ' = 5 мм, так как D =Гт D ' и следовательно, D =20 мм. Тогда ожидаемый угловой предел разрешения yож=140''/ D будет равен yож=7", что позволяет прибору иметь линейный предел разрешения в пространстве предметов значительно выше требуемого.
Итак, необходимо рассчитать оптическую систему призменного монокуляра, имеющего: ΓТ =-4Х, 2ω=8°, D'=5 мм, L=250 мм.
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. 1) монокуляра развернем по горизонтальной оси и заменим призму эквивалентной пластинкой. На рис. 1 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 w1, через систему пропускают только часть его, симметричную относительно главного луча. Ширина этой части наклонного лучка во входном зрачке измеряется величиной 2 m 1=Kw D, где D – диаметр входного зрачка, a Kw – коэффициент виньетирования, который в нашем случае равен 0,5.
Рис. 1. 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.
ВЫБОР ПРИЗМЫИ 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 нашем примере призма должна отклонить оптическую ось на 90°, следовательно, с учетом полного перевертывания изображения в монокуляре следует поставить, как уже говорилось, прямоугольную призму с крышей АкР-90 (рис. 3), основные размеры которой:
| a = D; c =2 D; |  h =1,094 D;
d =2,646 D;
k = d / D,
|
где d - длина хода луча в призме.
Рис. 3. Призма АкР – 60
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 плоскостии, 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 D диоптрий, можно определить по формуле
.
В нашем примере при f 'ок=50 мм разности сходимостей в одну диоптрию будет соответствовать =-2,5 мм, а разности сходимостей в 10-20 дптр –
=-(25¸50) мм.
Примем =35 мм (14 дптр).
Для определения значения D рассмотрим ход лучей после объектива. 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 w1, и пересекающего плоскость входного зрачка на высоте m 1:
| |
или
 .
|
Свободное отверстие на выходной грани определяется лучом 2,
| D 2=2(y¢+e2tgw2)=2(e2tgw2 - f ¢об tgw1). |
Углы лучей 1 и 2 с оптической осью после объектива находят по известной формуле tgsk+1 = tgsk + h kФk.
Тогда
w1=-4°, tgw1= -0,075,
tgw2= tgw1+ m 1Ф1,
2 m 1 =Kw D =0,5×20=10 мм,
tgw2= -0,075+5/200 = -0,05.
Значение диаметра D 2 вычисляют по формуле:
D 2=2(y¢+e2tgw2)=2(e2tgw2 - f ¢об tgw1).
D 2=2(-35×0,05+200×0,075)=26,5 мм.
Определим диаметры D’1 и D’’1. В нашем случае 
, 
, 
. Пусть призма будет изготовлена из стекла К8, показатель преломления для основного цвета ne=1,5182. Расстояние s'1=e2=35 мм.
, s ¢2=26.5/2(-0,05)=-265 мм,
,
.
Берем наибольшую величину D 2, добавляем около 4 мм на фаски, крепление и юстировку и получаем D =22,56+3,44=26 мм. По формулам определяем все размеры призмы: a =26 мм, с =52мм, h =28,444 мм, d =68,796 мм.
Определим расстояние e1 от задней главной плоскости объектива до призмы:
,
мм.
Определим диаметр полевой диафрагмы:
D ПД = -2 f 'об tgw1
D ПД =-2×200×(-0,075)=30 мм
Выбор окуляра
Окуляры являются последним звеном оптической телескопической системы, передающей изображение непосредственно в глаз наблюдателя. Отсюда первым требованием к ним является удаление выходного зрачка, необходимое для совмещения его со зрачком глаза.
Вторым требованием является сравнительная близость к телецентричности хода главных лучей в пространстве предметов.
К числу конструктивных особенностей окуляра относится возможность размещения сетки для измерений и возможность обеспечения диоптрийной подстройки.
В настоящее время окуляры сведены в наборы различных типов, а именно окуляры Кельнера, Эрфле, симметричные окуляры.
Основным критерием выбора окуляра является угловое поле в пространстве изображений 
, которое в нашем случае должно быть не меньше 34.2°.
Для нашего углового поляподходит симметричный окуляр. По каталогу его угловое поле 
, фокусное расстояние 
мм, относительное отверстие 
.
Конструктивные параметры окуляра приведены ниже.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
N Радиусы Осевые Световые Марки Показатели преломления
пов. кривизны расст. высоты стекол
L=.54607.48000.64380
ВОЗДУХ
1 73.7900 2.4000 11.950 Ф2 1.62054 1.62944 1.61238
2 26.0400 7.9600 11.950 К8 1.51830 1.52241 1.51429
3 -30.4100.7200 11.950 ВОЗДУХ
4 30.4100 7.9600 11.950 К8 1.51830 1.52241 1.51429
5 -26.0400 2.4000 11.950 Ф2 1.62054 1.62944 1.61238
6 -73.7900 11.950 ВОЗДУХ
Введя коэффициент пересчета
,
помножим радиусы и толщины на этот коэффициент для перехода к требуемому фокусному расстоянию 50 мм. Радиусы приведем к стандартному ряду 250.
Кроме того, чтобы правильно определить аберрации и в дальнейшем их скомпенсировать, после выбора типа окуляра необходимо согласовать положение 
его выходного зрачка с положением входного зрачка монокуляра, в качестве которого чаще всего выступает оправа объектива. В этом случае
Для определения 
проведем предварительный аберрационный расчет окуляра при помощи ППП «Opal». В результате расчета параксиальных характеристик получаем 
мм, 
мм. Подставляя в формулу для , получаем:
мм
Дальнейшие операции с окуляром будем проводить, обернув, то есть в обратном ходе лучей. При этом выходной зрачок становится входным в обратном ходе и 
мм, передний фокальный отрезок становится задним фокальным отрезком в обратном ходе и наоборот 
мм
Для определения расстояния между окуляром и призмой мы к известному расстоянию 
мм должны прибавить задний фокальный отрезок
мм.
5. Определение требований к объективу.
В телескопических систем с видимым увеличением 
и угловым полем 
в качестве объектива хорошо себя зарекомендовал двухлинзовый склеенный объектив. Он имеет четыре коррекционных параметра: три радиуса и комбинация пары стекол, из которорых изготовлены линзы. Толщины линз по оси хоть и являются параметрами линз, но их влияние на аберрации ничтожно. Кроме того, следует учитывать, что один радиус кривизны придется задействовать на обеспечение требуемого значения фокусного рассояния.
Таким образом, наш объектив обладает тремя коррекционными параметрами, а следовательно с его помощью можно исправить три аберрации системы.
В результате габаритного расчета мы получили ряд характеристик, которым должен удовлетворять наш объектив. Это: фокусное расстояние 
мм, диаметр входного зрачка 
мм, угловое поле 
.
Простейшим вариантом объектива, способным обеспечить данные характеристики, является двухлинзовый склееный объектив.
Кроме того, монокуляр не будет искажать изображения наблюдаемых предметов, если аберрации объектива компенсируют суммарные аберрации окуляра и призмы.
Во многих случаях оказывается достаточным исправить в оптической системе монокуляра сферическую аберрацию 
, меридиональную кому 
, хроматическую аберрацию положения 
.
Для компенсации аберраций объектива продольные аберрации (сферическую аберрацию и хроматическую аберрацию положения) надо взять с противоположным знаком, поперечную (меридиональная кома) – с тем же, т.е
– продольная сферическая аберрация системы окуляр+призма в обратном ходе;
где 
– меридиональная кома системы окуляр+призма в обратном ходе,
где 
– хроматическая аберрация положения системы окуляр+призма в обратном ходе.