весенняя работа по оптике

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)

Курсовая работа по дисциплине: «Прикладная оптика» на тему: «Габаритный расчёт зрительной трубы прямого изображения с коллективом и симметричной оборачивающей системой с увеличением β=-1»

Выполнил: Студент ФОИСТ группы ОптIV-1б	Полетаев Валерий
Руководитель: Профессор, к.т.н.	Запрягаева Людмила Алексеевна

Москва 2015г.

РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит: 8 рисунков, 1 таблицу, 24 страницы.

Ключевые слова: ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, СВЕТОВОЙ ДИАМЕТР, УГЛОВОЕ ПОЛЕ, ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ, ОДНОКОМПОНЕНТНАЯ ОБОРАЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА, ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ОБОРАЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА, ОБЪЕКТИВ, ОКУЛЯР, КОЛЛЕКТИВ, ВИНЬЕТИРОВАНИЕ, ВЕРХНИЙ ПОЛЕВОЙ ЛУЧ, НИЖНИЙ ПОЛЕВОЙ ЛУЧ, ВХОДНОЙ ЗРАЧОК, ВЫХОДНОЙ ЗРАЧОК, ЛИНЕЙНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ.

Цель курсовой работы: габаритный расчёт телескопической системы с равными по диаметру компонентами и предварительный выбор её конструкции .

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………..	….……….……………………………...7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАЖДОГО КОМПОНЕНТА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ИХ КОНСТРУКЦИЙ – ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ……………………………………………	………………………………………..12
1. Габаритный расчёт зрительной трубы с двухкомпонентной оборачивающей системой…	………………………………………..12
2. Выбор оптической схемы каждого компонента……………………………………….	………………………………………...22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………...................	………………………………………..24
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………….	………………………………………..25

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

При выполнении курсовой работы были использованы следующие стандарты:

1. ГОСТ 2.412-81 – Единая система конструкторской документации. Правила выполнения чертежей и схем оптических изделий.

2.ГОСТ 7.32-2001 – Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

3. ГОСТ 7427-76 – Геометрическая оптика. Термины, определения и буквенные обозначения.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АД – апертурная диафрагма;

ПД – полевая диафрагма;

В.п.л. – верхний полевой луч;

Н.п.л. – нижний полевой луч;

Гл.л. – главный луч;

Вх.зр. – входной зрачок;

Вых.зр. – выходной зрачок;

Об.с. – оборачивающая система;

ТС – телескопическая система;

Об. – объектив;

Кол. – коллектив;

ОЧ – объективная часть.

ВВЕДЕНИЕ

Группа оптических приборов, позволяющих человеку рассматривать удалённые предметы – бинокли, прицелы, дальномеры, астрономические, геодезические приборы, коллимирующие системы – относятся к классу телескопических систем.

Пучки лучей, входящие в телескопическую систему, можно принять за параллельные, так как входные зрачки значительно меньше расстояний до предметов, наблюдаемых в эти приборы. Чтобы глаз мог без напряжения рассматривать изображения, образованные телескопическими системами, выходящие пучки лучей также должны быть параллельными. Для этого в оптической схеме необходимо совместить точки фокусов первого и второго компонентов, так чтобы оптический интервал ∆ - расстояние между точкой заднего фокуса первого компонента и точкой переднего фокуса второго компонента – равнялся бы нулю. Системы с таким ходом лучей называются афокальными (фокусное расстояние равно бесконечности).

Простая телескопическая система состоит, как минимум, из двух компонентов, каждый из которых может быть оптической поверхностью или представлять собой оптическую систему из двух и более компонентов (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схемы простейших телескопических систем: а), б) – телескопические линзы по схемам Кеплера и Галилея; в), г) – линзовые телескопические системы Кеплера и Галилея; д), е) – линзовые системы Кеплера и Галилея.

Прямое изображение в зрительной трубе можно получить, вводя в её схему линзовые оборачивающие системы: однокомпонентные, но чаще всего двухкомпонентные. Линзовые оборачивающие системы меняют не только знак видимого увеличения, но и его численную величину, если увеличение оборачивающей системы отличается от единицы, то есть . Обычно увеличение (линейное) оборачивающей системы . Тогда для однокомпонентной оборачивающей системы:

;

Из рисунка 2 видно, что:

(1)

(2)

Кроме того,

(3)

Решая систему, вычислим и .

По формулам Гаусса определим фокусное расстояние коллектива, как (рисунок 2):

(4)

По формуле Гаусса найдём фокусное расстояние компонента 3 оборачивающей системы:

(5)

Обычно выходной зрачок совпадает со зрачком глаза и по величине равен диаметру зрачка глаза . Тогда говорят о нормальном увеличении:

(6)

Способность телескопической системы раздельно изображать две точки или линии называется разрешающей способностью и оценивается по угловому пределу разрешения Ψ. Разрешающая способность, согласно дифракционной теории, зависит от диаметра D входного зрачка и определяется выражением:

(7)

Если принять λ=0,000556 мм, то:

(8)

В этом случае контраст между дифракционными изображениями точек составляет 26% и, если глаз способен различить контраст порядка 5%, то:

(9)

Для нормального глаза угловой предел разрешения в среднем составляет =60⁰. Увеличение телескопической системы, при котором разрешающая способность объектива полностью используется глазом, называется полезным увеличением и определяется следующим образом:

(10)

Наблюдательные приборы работают совместно с глазом, который имеет недостатки (аметропию), поэтому на выходе телескопической системы необходимо получать пучки лучей различной структуры: для нормального (эмметропического) глаза – параллельный; для близорукого (миопического) глаза – расходящийся; для дальнозоркого (гиперметропического) глаза – сходящийся. Направление указанных недостатков глаза может быть исправлено перемещением окуляра: к объективу – тогда выходящие пучки лучей будут расходящимися; от объектива – сходящимися. Обычно перемещение окуляра, характеризующее пределы изменения сходимости выходящих пучков, принимаются равными A=±5…±10 дптр.

В том случае, когда требуется изменить положение выходного зрачка без изменения всех остальных оптических характеристик трубы, применяют коллективы – обычно одиночные плосковыпуклые или плосковогнутые линзы, устанавливаемые в фокальной плоскости окуляра.

Положительный коллектив приближает выходной зрачок и «пригибает» лучи наклонного пучка к оси, что уменьшает световой диаметр.

Рисунок 2. Схема зрительной трубы с однокомпонентной оборачивающей системой.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАЖДОГО КОМПОНЕНТА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ИХ КОНСТРУКЦИЙ – ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

1. Габаритный расчёт зрительной трубы с двухкомпонентной оборачивающей системой

Исходными данными для расчёта являются:

; L=540 мм; -68 мм; 4,4 мм; 2ω=12⁰; 0,5.

Габаритный расчёт необходимо выполнить при условии 50% виньетирования наклонных пучков и равенства световых диаметров объектива, коллектива и компонентов оборачивающей системы: .

Найдём диаметр входного зрачка:

(11)

Тогда размер входного зрачка для наклонного пучка лучей в меридиональной плоскости с учётом коэффициента виньетирования будет составлять (рисунок 3):

Рисунок 3.

(12)

Определим угловое поле окуляра:

(13)

Следовательно:

Найдём фокусное расстояние объектива так, чтобы из него выходил параллельный пучок лучей и так, чтобы коллектив был такого же диаметра, как и объектив. Рассмотрим этот луч. (Рисунок 4).

Рисунок 4.

(14)

Определим высоты верхнего полевого луча (Рисунок 4):

(15)

Световые диаметры объектива, коллектива и компонентов оборачивающей системы должны быть равны:

(16)

По условию, , поэтому нижний полевой луч должен выходить параллельно оптической оси. Для определения фокусного расстояния коллектива необходимо определить (рисунок 5):

Рисунок 5.

(17)

(18)

Найдём ()

(19)

По формуле Гаусса определим :

	(20)
	(21)

(Рисунок 5)

(22)

(23)

Оптическая длина оборачивающей системы (Рисунок 6):

Рисунок 6.

(24)

(25)

Последовательно запишем расчёт хода главного луча, начиная от плоскости входного зрачка и заканчивая плоскостью апертурной диафрагмы.

	(26)
	(27)
	(28)
	(29)
	(30)

Запишем формулу Гаусса для третьего компонента и полученные уравнения для и :

	(31)
	(32)
	(33)
	(34)
	(35)
	(36)

Решим полученное квадратное уравнение. Решение уравнения:

, где D – дискриминант квадратного уравнения.

Корни уравнения: .

Из двух значений выбираем второе, так как оно наиболее приемлемо в конструктивном отношении.

Значение d₃ получим из уравнения:

	(37)
	(38)

Для определения диаметра апертурной диафрагмы надо вначале найти увеличение в зрачках:

(39)

Все координаты известны, кроме и , которые определим следующим образом:

	(40)
	(41)

Тогда,

Так как

	(42)
, то
	(43)

Проверим оптическую длину оптической системы зрительной трубы.

	(44)

Полученное значение L совпадает с исходными данными.

Фокусные расстояния компонентов зрительной трубы и расстояния между компонентами:

Далее найдём диаметр полевой диафрагмы, удаление выходного зрачка и оптические характеристики оптической системы зрительной трубы.

Сначала рассчитаем до конца ход главного луча.

	(45)
	(46)
	(47)
	(48)
	(49)

Проверим полученное значение .

	(50)
,где
(Рисунок 7)	(51)

Рисунок 7.

Тогда,

Рисунок 8.

(Рисунок 8)

(52)

Кроме того, на рисунке 9 приведена объективная часть зрительной трубы и указано её заднее фокусное расстояние ():

Рисунок 9.

Световые диаметры четырёх компонентов равны 22,44 мм. Определим световой диаметр окуляра при =0,5.

(Рисунок 8)

(53)

При определении оптических характеристик отдельных компонентов системы нужно найти угловое поле компонентов оборачивающей системы, работающих в параллельном пучке, причём третий компонент – в обратном ходе лучей, а четвёртый – в прямом ходе. Компоненты 1,2,3 образуют телескопическую систему, увеличение которой:

(54)

Угловое поле на выходе этой системы определим следующим образом:

(55)

Рассчитаем угловые поля компонентов. Для этого рассчитаем ход главного луча по формуле произвольных тангенсов:

(56)

И по формуле перехода для высот:

(57)

	(58)
	(59)
	(60)
	(61)
	(62)
	(63)
	(64)
	(65)
	(66)
	(67)