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. 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 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. 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.

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 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 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

.

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 (D₁''), идущего под углом ₁, и пересекающего плоскость входного зрачка на высоте m₁:

или .

Свободное отверстие на выходной грани определяется лучом 2,

D2=2(y+e2tg2)=2(e2tg2 - f об tg1).

Углы лучей 1 и 2 с оптической осью после объектива находят по известной формуле tg_k+1 = tg_k + h_kФ_k.

Тогда

₁=-4, tg₁= -0,075,

tg₂= tg₁+m₁Ф_1,

2m₁ =K_ D=0,520=10 мм,

tg₂= -0,075+5/200 = -0,05.

Значение диаметра D₂ вычисляют по формуле :

D₂=2(y+e₂tg₂)=2(e₂tg₂ - f _об tg₁).

D₂=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 цветаn_e=1,5182. Расстояние s'₁=e₂=35 мм.

, s₂=26.5/2(-0,05)=-265 мм,

,

.

Берем наибольшую величину D₂, 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 = -2f '_об tg₁

D_ПД =-2200(-0,075)=30 мм