Теория и расчет оптических систем

графической частью проекта, либо сопровождается необходимыми по ходу изложения рисунками, схемами, графиками и т.д., на которые в тексте должна быть ссылка.

Все рисунки и схемы должны выполняться в соответствии с требованиями ЕСКД.

В списке использованной литературы указываются источники, которые были использованы при проектировании для выбора элементов оптической схемы, для выполнения расчетов и т.д. при этом в тексте расчетнопояснительной записки в соответствующих местах приводятся ссылки на порядковый номер литературы в квадратных скобках.

Общий объем расчетно-пояснительной записки 40–50 листов. Оформление пояснительной записки курсового проекта производится в соответствии СТП БНТУ 3.01 – 2003 «Курсовое проектирование» и МИ БНТУ

3.001 – 2003 «ЕСС БНТУ.

Последовательность выполнения курсового проекта

Задание на курсовой проект студент получает на 1-й неделе (IV курс) на аудиторном занятии, посвященном курсовому проектированию. В дальнейшем студенты должны являться на занятия, установленные расписанием и отчитываться за выполненную работу по курсовому проектированию в соответствии с приведенным ниже графиком. Учебным планом предусмотрено 17 часов аудиторных занятий. Внеаудиторная самостоятельная работа студента должна составлять примерно 30 часов.

Разработка оптической схемы относится к опытно-конструкторской работе (ГОСТ 2.103-68). Габаритный оптический расчет является одним из определяющих в расчетной части проекта. Его обычно начинают с определения требуемых параметров объектива, в первую очередь фокусного расстояния f , диаметра входного зрач-

ка D и углового поля 2 .

Помимо объектива в схему прибора входят другие оптические элементы: окуляры, конденсоры, линзы, призмы и т.д. Расчет этих элементов может быть выполнен по материалам, изложенным в литературе [1, 2, 3].

После определения параметров всех оптических элементов необходимо выбрать подходящие из готовых элементов, а при отсутствии таковых определять конструктивные элементы из габаритного расчета.

Для выбора комплектов оптики на кафедре имеются каталоги соответствующих систем.

Методики проведения аберрационных и светотехнических расчетов достаточно разнообразны и изложены,

например, [4, 5, 6].

Методические указания по использованию ПЭВМ при расчетах оптических систем изложены в литерату-

ре [7].

261

Следует отметить, что на чертеже оптической схемы обязательному заполнению подлежит таблица «Перечень деталей».

При этом необходимо графу «Обозначение» строить следующим образом:

–буквенная часть, представляющая собой аббревиатуру названия прибора (например, АКФ – автоколлиматор фотоэлектрический);

–двухзначные номера сборочных единиц;

–трехзначные номера деталей, входящих в сборочную единицу.

262

Оформление технической документации на рассчитанную оптическую систему

Требования к оформлению принципиальной оптической схемы. Оформление технической документа-

ции на оптическую систему является завершающим этапом проектирования.

Втехническую документацию входят: принципиальная оптическая схема, оптический выпуск на систему, таблицы влияния отклонения параметров на аберрации и параксиальные характеристики, чертежи на оптические детали. Процесс оформления технической документации в настоящее время полностью автоматизирован.

Согласно ГОСТ 2.412-81 на оптической схеме должны быть изображены оптические элементы, выполняющие определенную функцию, упрощенно источники излучения, приемники лучистой энергии, если таковые есть в схеме; элементы, поворачивающиеся или перемещающиеся вдоль или перпендикулярно оси, которые следует показывать в основном рабочем положении; положение диафрагм, зрачков (при необходимости), фокальных плоскостей, плоскостей изображения, предмета (для фотографических объективов и объективов микроскопов), а также положение экранов, светорассеивающих плоскостей и поверхностей, если таковые есть в системе. На принципиальной оптической схеме необходимо привести основные оптические характеристики в виде записей на поле схемы или в таблице произвольной формы.

Так для телескопических систем следует привести: видимое увеличение, угловое поле оптической системы в пространстве предметов, диаметр выходного зрачка, удаление выходного зрачка от последней поверхности, предел разрешения, коэффициент пропускания (при необходимости).

Для фотографических объективов: фокусное расстояние, относительное отверстие, угловое поле оптической системы или размер кадра, разрешающую способность, коэффициент пропускания.

Для фотоэлектрических систем: размеры фотокатодов или типы фотоприемников, размеры светового пятна на фотокатодах.

Кроме того, на оптических схемах следует указывать дополнительные сведения: расстояние от последней поверхности фотографического объектива до плоскости изображения в зависимости от расстояния до предмета; линейное перемещение окуляра на одну диоптрию; наименования или типы источников излучения и приемников лучистой энергии; световые диаметры и стрелки прогиба, толщины линз по оптической оси.

Взависимости от типа ОС на оптической схеме следует указывать: диаметры диафрагм, размеры зрачков, размеры тела накала или других светящихся элементов источников излучения, воздушные промежутки и другие размеры по оси, определяющие взаимное расположение оптических элементов, диафрагм, зрачков, фокальных плоскостей, плоскостей изображения и плоскостей предмета (для систем, работающих на конечном расстоянии), источников излучения и приемников энергии; размеры, определяющие положение оптической системы относи-

263

тельно механической части прибора; габаритные или установочные размеры, например, длину базы, высоту выноса плоскости изображения (при необходимости).

Требования к оформлению оптического выпуска на оптическую систему. Для окончательного варианта системы с округленными по ГОСТ радиусами кривизны составляется оптический выпуск, который содержит чертеж оптической системы, ее оптические характеристики, конструктивные параметры, таблицы и графики аберраций.

В левой верхней части формата записывают название объектива, а затем указывают основные оптические характеристики, зависящие от расположения предмета и особенностей системы: фокусное расстояние или увеличение, относительное отверстие, апертуру или диаметр входного зрачка, угловое или линейное поле оптической системы в пространстве предметов. Для фотообъективов и проекционных объективов может быть указан размер кадра, предел разрешения, а иногда и коэффициент пропускания.

Для телескопических систем указываются увеличение, угловое поле, диаметр выходного зрачка, его расстояние от последней поверхности. Кроме того, могут быть указаны предел разрешения и коэффициент пропускания. Для фотоэлектрических систем следует указать тип приемника излучения и размер светового пятна на площадке приемника.

Для зеркальных и зеркально-линзовых систем рекомендуется помимо общих оптических характеристик указать коэффициент центрального экранирования и эффективное относительное отверстие. Для телеобъективов следует записать значение коэффициента телесокращения. Иногда приводятся дополнительные сведения, характеризующие особенность работы системы.

Ниже, под основными оптическими характеристиками, приводится основная длина волны, для которой исправлены монохроматические аберрации, а также интервал длин волн, в котором осуществлена ахроматизация системы.

Затем располагается чертеж оптической системы, выполненный в масштабе. Под чертежом приводятся конструктивные параметры системы (r, d, n, ), марки стекол или других оптических материалов, световые и полные диаметры, а также стрелки прогиба поверхностей по световым и полным диаметрам. Если система содержит асферические поверхности, то соответствующие им вершинные радиусы записываются в виде r0v , а ни-

же записывается уравнение профиля или поверхности. Под конструктивными параметрами системы указываются значения заднего фокусного расстояния, а также переднего и заднего фокальных отрезков.

Для случая предмета, расположенного на конечном расстоянии(в микрообъективах, проекционных, репродукционных объективах), приводится расстояние от первой оптической поверхности до предмета (передний

264

отрезок) и от последней поверхности до изображения (задний отрезок), а также оптическая длина системы L – расстояние между плоскостями предмета и изображения.

Дополнительно могут указываться положение и размер апертурной диафрагмы в оптической системе, а также диаметры зрачков и расстояния от первой поверхности до входного зрачка ( s p ) и от последней поверхно-

сти до выходного зрачка ( s p ). При необходимости - линейное увеличение в зрачках.

Числовые значения остаточных аберраций оптической системы сводят в таблицы и строят соответствующие графики аберраций. В правой верхней части приводится таблица аберраций для точки на оси, где указаны сферическая аберрация, условие изопланатизма, сферохроматические разности и хроматизм положения.

Затем следует таблица аберраций главных лучей и бесконечно тонких астигматических пучков для различных точек поля: меридиональная и сагиттальная кривизна поверхности изображения, астигматизм, дисторсия и хроматизм увеличения. В этой же таблице указывается удаление входного зрачка для оценки сферической аберрации в зрачках.

Далее следуют таблицы аберраций лучей широких наклонных пучков в меридиональном и сагиттальном сечениях. Эти аберрации должны быть даны для различных точек поля для основной длины волны. Иногда указываются аберрации для дополнительных длин волн, подлежащих ахроматизации.

В отдельных случаях, например при больших относительных отверстиях и угловых полях зрения, приводится таблица аберраций для внемеридиональных (косых) лучей.

Для высококачественных оптических систем, где качество изображения сравнимо с дифракционным, например объективов микроскопов, приводят таблицу волновых аберраций и указывают положение плоскости наилучшей установки.

На основании данных таблиц строят соответствующие графики аберраций. Графики поперечных аберраций широких внеосевых пучков для различных точек поля необходимо выполнять в одинаковом масштабе.

Для объектива со сравнительно невысоким относительным отверстием сферическая аберрация, сферохроматические разности и условие изопланатизма рассчитывают для двух лучей: крайнего ( mкр D / 2 ) и зонального

Аберрации главных лучей и наклонных пучков рассчитывают для двух или трех точек поля у объективов с угловым полем до 60° и для четырех или пяти точек поля для широкоугольных объективов.

265

Аберрации широких наклонных пучков определяют на основании расчета четырии расчета четырй в меридиональном сечении и двух или трех лучей – в сагиттальном сечении. Для светосильных систем с высоким относительным отверстием число лучей в пучке увеличивается.

В некоторых оптических системах (в фотообъективах, телескопичесеих системах и пр.) обычно допускается виньетирование части наклонного пучка оправами линз или специальными виньетирующими диафрагмами. В этих случаях на оптических выпусках строятся диаграммы виньетирования, где следует указывать, какая поверхность или диафрагма вносит виньетирование. На графиках аберраций указываются зоны виньетирования. Для зеркальных и зеркально-линзовых систем рекомендуется на графиках аберраций указывать зоны центрального экранирования.

Коррекция аберраций оптической системы обычно выполняется для плоскости Гаусса. Однако плоскость наилучшей установки (ПНУ), в которой получается наиболее благоприятное распределение лучей в пятне рассеяния часто смещена относительно плоскости идеального изображения. на графиках поперечных аберраций для разных наклонов, построенных в системе координат ∆y’ и 100∆tgζ’, часто смещена относительно плоскости идеального изображения. Для определения этого смещения на графиках поперечных аберраций, построенных в системе координат ∆y’ и 100∆tgζ’, через начало координат проводят прямую (секущую), отклонение которой от кривой поперечной аберрации является минимальным. В оптическом выпуске указывают величину смещения ПНУ относительно плоскости Гаусса.

Порядок защиты проекта

Оформленный курсовой проект подписывается студентом и руководителем и представляется к защите. Защита проводится перед комиссией, состоящей из трех человек (преподавателей). Защита проекта состоит из доклада продолжительностью 5–7 минут и ответов на вопросы членов комиссии.

Может быть рекомендован следующий примерный план построения доклада:

–название темы проекта;

–назначение разрабатываемого оптического прибора;

–исходные данные для проектирования;

–краткий обзор существующих аналогов;

–перечень выполненных расчетов с указанием их цели и результатов;

–пояснения конструктивных особенностей оптической системы прибора;

–оценка и анализ качества изображения.

По окончании доклада и ответа на вопросы комиссия принимает решение об оценке курсового проекта.

266

Рекомендуемая литература

1.Теория оптических систем. Рец. Русинов М.М. (Авт.: Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И.) Изд. «Машиностроение», М., 1981, 432 с.

2.Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. Изд. «Машиностроение», М.-Л., 1966, 564 с.

3.Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика. Изд. «Наука», М., 1982, 352 с.

4.Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Изд.«Машиностроение», Л., 1975,640 с.

5.Турыгин И.А. Прикладная оптика. Часть I. Геометрическая оптика и методы расчета оптических схем. Изд. «Машиностроение», М., 1965, 362 с. Часть II. Фотографические, проекционные и фотоэлектрические системы. Методы аберрационного расчета оптических систем. Изд. «Машиностроение», 1966, 431 с.

6.Артюхина Н.К. Методические указания по использованию ЭВМ в курсовом проектировании по дисциплине «Теория оптических систем и техническая оптика», Минск, 1982.

7.Вычислительная оптика. Справочник. Рец. Русинов М.М. Изд. «Машиностроение», Л., 1984, 423 с.

8.Справочник конструктора оптико - механических приборов. Ред. Панов В.А., «Машиностроение», Л., 1980, 742 с.

9.Артюхина Н.К.Теория и расчет оптических систем. Учебное пособие для студентов приборостроительных специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего образования. В 2ч.-

Мн.:БНТУ,2004,134с.

10.СТП БНТУ 3.01-2003.Стандарт предприятия Курсовое проектирование.-ВВед.14.01.03.-Мн., 2003.-15с.

11.МИ БНТУ 3.01-2003. Методическая инструкция БНТУ. Единая система стандартизации БНТУ. Дипломное проектирование. – Введ.27.01.2004. – Мн.: БНТУ 2004.-41с.

267

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ

Средства диагностики

Оценка уровня знаний студента производится по десятибалльной шкале.

Для оценки достижений студента рекомендуется использовать следующий диагностический инструментарий:

устный опрос во время практических занятий;

проведение текущих контрольных работ (заданий) по отдельным темам;

защита выполненных на практических и лабораторных занятиях индивидуальных заданий;

защита выполненных в рамках управляемой самостоятельной работы индивидуальных заданий;

защита курсового проекта;

сдача экзамена.

269