Проектування конструкції монокуляра з обертаючою призмою АкР-60

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Огляд схем телескопічної системи

2. Габаритний розрахунок оптичної системи

2.1 Розрахунок параметрів окуляра

2.2 Розрахунок параметрів об'єктива

2.3 Розрахунок параметрів сітки

2.4 Визначення коефіцієнту віньєтування

2.5 Розрахунок габаритів призми

3. Виконання конструкторських розрахунків

3.1 Розрахунок діоптрійної шкали та окулярної різьби

3.2 Розрахунок роздільної здатності монокуляра

3.3 Визначення коефіцієнта пропускання оптичної системи

4. Виконання точнісних розрахунків

4.1 Визначення вимог до точності установки сіток та шкал

4.2 Вплив коливань температури на відхилення фокусної відстані об'єктива

4.3 Аналіз впливу похибок конструктивних параметрів об'єктиву на похибку фокусної відстані

5. Опис конструкції монокуляра та рекомендації щодо його юстування

6. Методика юстування сітки

7. Методика контролю вихідних характеристик монокуляра

Висновок

Література



Вступ

Призмовим монокуляром називається зорова труба Кеплера з призменною обертальною системою.

Призменна обертальна система може бути:

а) одиночною призмою, одна з відбиваючих граней якої виконана у виді криші;

б) системою з двох призм;

в) системою з трьох призм;

Призменна обертальна система не тільки обертає на 180^? площину зображення, сформоване об'єктивом зорової труби, а й виконує злам або паралельний зсув оптичної осі.

Злам оптичної осі на 45^? або 90^? необхідний для зручності спостереження предметів, що перебувають у зеніті або близько до зеніту по відношенню до спостерігача. Цей злам оптичної осі створюють призми А_КР-90^? та призма Шмідта.

Паралельний зсув оптичної осі у призмах Лемана, Порро-Малафеєва I-го та II-го роду використовується для збільшення бази - міжосьової відстані між об'єктивами, якщо два монокуляра об'єднують у один прилад - бінокль. Збільшення при цьому бази посилює сприйняття глибини простору предметів.

Призменні обертальні системи сприяють також зменшенню осьової довжини зорової труби за рахунок зламу оптичної осі всередині системи.

Інші компоненти монокуляра (об'єктив і окуляр) такі самі як у звичайних зорових трубах Кеплера. Об'єктив, як правило, являє собою двохлінзову склейку. Окуляр виконують по схемі Кельнера, Гюйгенса, симетричного окуляра, окуляра Ерфлє та інші.

У даному проекті для монокуляра використовується сітка прицільна точна.

Даний курсовий проект спрямований на розрахунок оптичної системи - монокуляра з призменною обертальною системою (призма АкР-60°).



1. Огляд схем телескопічної системи

монокуляр розрахунок конструкція оптичний

Оптичні системи, призначені для спостереження далеких предметів, називаються телескопічними системами. Телескопічні системи - це системи або основа оптичних приладів для спостереження за віддаленими предметами.

Прості телескопічні системи складаються з двох компонентів : об'єктива та окуляра. До простих відносять труби Кеплера і Галілея.

Зорова труба Кеплера:

Ця система (Рис. 1) має позитивний об'єктив і позитивний окуляр. Так як фокусні відстані об'єктива f?об. і окуляра f?ок. - величина позитивна, то відповідно формулі збільшення труби Кеплера від'ємне (Г<0), тобто вона дає обернене зображення як зверху вниз, так і зліва направо. У площині дійсного зображення , даючого об'єктивом, встановлена польова діафрагма Dпд. В ці площини також встановлюють плоско паралельну пластину з перехрестям чи шкалою. Простота конструкції й відсутність віньєтування, при великому збільшенні та кутовому полі, це є переваги труби Кеплера. Суттєвий недолік - перевернуте зображення, тому трубу Кеплера застосовують у випадках коли це не заважає спостереженню (геодезичні, астрономічні прилади).

Рисунок 1 - Оптична схема труби Кеплера

Основні поняття про призмові монокуляри:

Призмовим монокуляром називається зорова труба (ЗТ) Кеплера з призмовою обертаючою системою (ПОС).

ПОС являє собою :

- одиночну призму в якій одна із відбиваючих граней виконана у вигляді даху. До таких призм можна віднести призми АкР-90?, Лемана (Вк-0?), Шмідта (ВкР-45?);

- систему двох призм : Аббе (Ак-0), Пехана (Пк-0), Порро І - го роду;

- систему трьох призм : Порро ІІ - го роду та ін.

ПОС не тількі повертає на 180? площину зображення, що формується об'єктивом ЗТ, але й виконує злом або паралельне зміщення оптичної осі. Злом оптичної осі на 45? або 90? необхідний для зручності спостереження предметів, зо знаходяться в зеніті або близько до зеніту по відношенню до спостерігача. Такий злом мають призми Ак-90? (Рис. 2,а) і Шмідта (Рис. 2,б).

Рисунок 2,а - Телескопічна система з призмою АкР-90?

Рисунок 2,б - Телескопічна система з призмою ВкР-45? (Шмідта)



Рисунок 2,в - Телескопічна система з призмою Вк-0? (Лемана)

Рисунок 2,г - Телескопічна система з призмою Порро 1-го роду

Рисунок 2,д - Телескопічна система з призмою Порро 2-го роду

Паралельний зсув оптичної осі в призмах Лемана (Рис. 2,в), Порро І-го роду (Рис. 2,г і 2,д) використовується для розширення бази - міжосьової відстані між об'єктивами, якщо два монокуляри об'єднують в один прилад - бінокль.

Розширення бази при цьому посилює відчуття глибини простору предметів.

У випадках, коли необхідно мати об'єктив і окуляр на одній осі, використовують призми Аббе (Рис. 2,е) або Пехана (Рис. 2,ж).



Рисунок 2,е - Телескопічна система з призмою Ак.-0? (Аббе)

Рисунок 2,ж - Телескопічна система з призмою Пк.-0? (Пехана)

ПОС сприяють також скороченню осьової відстані ЗТ за рахунок зломів оптичної осі усередині системи.



2. Габаритний розрахунок оптичної системи

Задачею габаритного розрахунку оптичної схеми приладу є:

1) відшукання найбільш раціональної схеми оптики, що задовольняє заданим технічним умовам;

2) визначення фокусних відстаней, відносних отворів та полів зору об'єктиву, окуляру та інших компонентів, які входять в систему, та відшукання їх взаємного розташування та їх діаметрів;

3) визначення положення зіниць та діафрагм;

4) визначення положення в оптичній схемі пластинок, дзеркал, призм, а також їх розмірів.

Метою габаритного розрахунку монокуляра є відшукання фокусних відстаней компонентів, їх діаметрів та відстаней між ними. За результатами габаритного розрахунку здійснюється підбір компонентів і розрахунок конструктивних параметрів елементів - об'єктива, призми, окуляра.

Початковими даними для розрахунку оптичної системи є наступні параметри:

- кут поля зору;

- видиме збільшення;

- діаметр вхідної зіниці;

- віддалення вихідної зіниці;

- коефіцієнт він'єтування;

- діапазон діопртрійного наведення

- припустимий кутовий паралакс

- діапазон коливання температури

Тип сітки - прицільна груба



2.1 Розрахунок параметрів окуляра

Визначимо кутове поле зору окуляра за формулою:

2

Вибираємо симетричний окуляр. Його фокусну відстань визначаємо із припущення, що

.

Звідси:

мм.

За отриманими даними вибираємо симетричний окуляр з каталога з оптичними характеристиками: мм, , мм, мм, Л1-ТФ1, Л2-К8. Його конструктивні параметри приведені нижче:

r, мм	d, мм	Dсв., мм
33,11
13,93	10	15
-20,14	4,5	15
20,14	0,07	15
-13,93	4,5	15
-33,11	10	15

Оптичні характеристики вибраного окуляра відрізняються від розрахованого. Потрібне перерахування конструктивних параметрів через коефіцієнт перерахування за формулою:

Після перерахування отримаємо окуляр з оптичними характеристиками: мм, мм, мм. Його конструктивні параметри мають наступні значення:

r, мм	d, мм	Dсв., мм
44,14
18,57	13,33	20
-26,85	6	20
26,85	0,09	20
-18,57	6	20
-44,14	13,33	20

Ескіз оптичної схеми окуляра:

Вершинні відрізки окуляра дорівнюють:

мм;

мм.

Збільшення окуляра

2.2 Розрахунок параметрів об'єктива

Відомо: , мм і мм.

Визначимо фокусну відстань і відносний отвір об'єктива за формулою:

мм;

: .

За отриманими даними вибираємо з каталогу об'єктив з оптичними характеристиками мм. Його конструктивні параметри наступні:

r, мм	d, мм	Dсв., мм
224,9
-64,7	7
-158,2	2,8	35,4

Оптичні характеристики вибраного об'єктива відрізняються від розрахованого. Потрібне перерахування конструктивних параметрів через коефіцієнт перерахування за формулою:

Після перерахування отримуємо об'єктив з оптичними характеристиками: мм, відносний отвір 1:6.2, мм, мм, Л1-К8, Л2-Ф4. Його конструктивні параметри мають наступні значення:



r, мм	d, мм	Dсв., мм
163,5
-47,04	5,1
-115,01	2,04	25,7

Ескіз оптичної схеми об'єктива:

Вершинні відрізки об'єктива дорівнюють:

мм;

мм.

Вибраний об'єктив середньої світлосили, достатньої для візуального приладу.

Визначимо світлові діаметри об'єктива і окуляра. Для забезпечення заданого збільшення приймаємо вхідну зіницю мм за світловий діаметр об'єктива, тобто

мм.

Для визначення світлового діаметра окуляра розрахуємо шлях апертурного променя, що падає на край вхідної зіниці, коли

мм,

і двох польових променів, що проходять через верхній та нижній краї вхідної зіниці, тобто при мм. Розрахунок висоти та кута ведемо по формулам довільного променя:

.

мм; ;

;

мм;

;

мм.

Світловий діаметр окуляра

мм.

Уточнимо віддалення вихідної зіниці. Із формули

,

отримаємо:

мм;

мм,

тобто віддалення більше ніж 14 мм, що відповідає завданню.

2.3 Розрахунок параметрів сітки

Світловий діаметр сітки визначимо за формулою :

Приймемо мм. Перевіримо отриманий результат через поле зору окуляра:

мм.

Це говорить про те, що поле зору окуляра має деякий запас і не обрізає зображення сітки. Товщину сітки вибираємо рівній мм. Матеріал сітки БК 10. Подовження, що вноситься сіткою , розрахуємо за формулою

мм

Якщо задана кутова ціна ділення сітки , то ціну ділення в лінійній мірі розраховують по формулі:

Товщина штриха сітки визначається через збільшення окуляра:



2.4 Визначення коефіцієнту віньєтування

Щоб визначити, чи має місце віньєтування і яка його величина, уточнимо висоту в зворотньому ході. Відомо, що мм. Тоді

мм.

Звідси, діючий світловий діаметр окуляра

мм.

Це означає, що віньєтування існує і частина похилих пучків по краю поля зрізається. Віньєтування складає з урахуванням формули

.

Для монокуляра ця величина дуже незначна. Такий монокуляр можна вважати світлосильним.

2.5 Розрахунок габаритів призми

Для отримання повного обертання (по двом координатам) необхідно використовувати призму з непарним числом відбиваючих граней з дахом.

В даному курсовому проекті використовується призма АкР = 60є:



Для визначення розмірів призми і її положення використовуємо графо-аналітичний метод проф. І.А. Туригіна.

При половину кута конуса між ними знайдемо з формули:

; .

Розрахунок параметрів призми ведемо від її вихідної грані, розташованої від польової діафрагми (сітки) на відстані , що дорівнює:

.

Приймемо мм.

Знайдемо світловий діаметр вихідної грані призми за формулою:

мм.

Для визначення світлового діаметра вхідної грані призми знайдемо кут :

; ,

де - показник заломлення матеріалу призми; к - її коефіцієнт.

Кут вводиться в побудову ходу променів наступним чином. На відстані мм від сітки проводять слід вихідної грані призми. З точки перетину її із оптичною віссю проводять промінь під кутом . Знаходять точку перетину цього променя з верхнім похилим променем. Через неї проводять слід вихідної грані призми. Відстань між вхідною і вихідною гранню призми є редуційованою товщиною розгортки призми мм.

Звідси, довжина оптичної розгортки призми дорівнює:

мм.

Нарешті отримаємо

.

Світловий діаметр реальної призми слід округлити до найближчого стандартного розміру по ГОСТ 6636-69, тобто приймаємо мм.

Подовження, що вноситься призмою, знайдемо за формулою:

Довжина ребра даху призми дорівнює

мм.

Відстань від об'єктива до призми знайдемо за формулою:

мм.

Висота призми

.

Довжина ходу променів всередині призми



3. Виконання конструкторських розрахунків

3.1 Розрахунок діоптрійної шкали та окулярної різьби

Визначемо кількість заходів окулярної різьби:

Де

- число поділок

Крок окулярної різьби:

Попередній кут повороту діоптрійної шкали:

Кількість заходів передбачена ДСТУ дорівнює:

.

Тоді

Уточнимо по формулі:

Кутову відстань між штрихами можна визначити за формулою:

Для діоптрійної наводки окулярів їх переміщують вздовж оптичної осі на відстань:

,

де А - діапазон діоптрійного наведення (А= ±5 дптр).

3.2 Розрахунок роздільної здатності монокуляра

Роздільча здатність визначається як:

Але на практиці використовують наступну формулу:



3.3 Визначення коефіцієнта пропускання оптичної системи

При проходженні світлового потоку через оптичну систему, частина світла витрачається на відбивання, поглинання та розсіювання. Кількість світла, що пройшло через систему, характеризується коефіцієнтом пропускання. Для непросвітлених поверхонь, його визначають за формулою:

, (4.1)

де сумарна товщина оптичних деталей вздовж оптичної осі ; и - число поверхонь, із крона і флінта відповідно; - кількість дзеркальних поверхонь.

Для просвітлених поверхонь:

, (4.2)

де Звн - кількість зовнішніх поверхонь, Вн - кількість внутрішніх поверхонь.

Відповідно до оптичної системи монокуляра мм, і . Тоді згідно (4.1) отримаємо:

Приймаємо .

Визначимо коефіцієнт пропускання оптичної схеми монокуляра з просвітленими поверхнями: зовнішні і внутрішні поверхні - одношарове 24І (). В цьому випадку, якщо кількість зовнішніх поверхонь дорівнює 5 і внутрішніх 5, то згідно (4.2):

Приймаємо, . Це говорить про те, що просвітлення поверхонь деталей оптичної схеми збільшило пропускання світла на 17%.



4. Виконання точнісних розрахунків

4.1 Визначення вимог до точності установки сіток та шкал

Для даної зорової труби наступні вихідні дані:

де - діаметр робочої вихідної зіниці.

Допуск на різницю сходження променів, що виходять з центру зображення і центру сітки із умови одно часової різкості у діоптріях за окуляром дорівнює:

За величиною допуску за окуляром можна отримати допустиму величину зміщення сітки із площини зображення перед окуляром, тобто:

Залишковий кутовий паралакс в телескопічній візирній системі у кутових хвилинах дорівнює

<

Отже, перерахунок робити не треба.

4.2 Вплив коливань температури на відхилення фокусної відстані об'єктива

Оцінимо вплив коливань температури на відхилення фокусної відстані об'єктива з наступними даними: матеріал першої лінзи-К8, матеріал другої лінзи-Ф4; ?Т=±30К.

Для окремої тонкої лінзи оптична сила розраховується за формулою:

Для склейки із двох лінз маємо:

4.3 Аналіз впливу похибок конструктивних параметрів об'єктиву на похибку фокусної відстані

Розрахуємо вплив похибок конструктивних параметрів на похибку фокусної відстані для об'єктиву:

Для склейки двох тонких лінз, приймаючи і враховуючи умову ахроматизації

а також слабкий вплив помилок радіусів кривизни склеюваних поверхонь, отримаємо:

Шукане відхилення збільшення данної телескопічної системи буде дорівнювати:



5. Опис конструкції монокуляра та рекомендації щодо його юстування

Конструкція монокуляра поділена на вузли за функціональною ознакою. Це вузли об'єктива, призмений та окуляра. Основною несучою базовою деталлю монокуляра є патрубок, на якому є два циліндричних виступи для закріплення, при необхідності, його в кронштейн штатива.

Монокуляр містить об'єктив 1, окуляр 4, сітку 8, корпус 3 з призмою. Об'єктив виконаний в вигляді складальної одиниці і складається з дволінзового оптичного блоку, встановленого в оправу і закріпленого в ній проміжним і різьбовим кільцями. Для суміщення фокальної площини об'єктива з площиною сітки використовується прокладка 7.

Симетричний окуляр представляє собою складальну одиницю. Він має два однакових дволінзових оптичних блока, встановлених симетрично в оправу і закріплених в ній за допомогою різьбового і проміжного кілець. Одночасно на оправі кріпляться жорсткий наочник і оправа з діоптрійною шкалою. Оправа має окулярну різьбу, за допомогою якої переміщуються лінзи в різьбовій втулці. Різьбова втулка на зовнішньому діаметрі має штрих для відліку по діоптрійній шкалі. Сітка закріплена в оправі приклеюванням і може поперечно переміщатися разом з оправою. Різьбове кільце 9 фіксує сітку з оправою після її центрування. Переміщення і попередня фіксація сітки виконується чотирма гвинтами 17, розміщеними попарно під кутом 90° один до одного. Після центрування отвори з гвинтами заливаються герметиком ГЕРМ-МБ-2Д. Кріплення призми в корпусі 3 зі сторони робочих граней виконується пружинними упорами, гайкою і втулкою 9. Регулювання тиску упора здійснюється гвинтом 12. Кришка 5 приєднується до корпусу гвинтами 10. Після установки сітки, з фіксацією її різьбовим кільцем, у корпус призми вкручується окуляр.



6. Методика юстування сітки

Для юстування сітки в приладах на базі телескопічних систем застосовуються наступні схеми.

- за допомогою коліматора і діоптрійної трубки;

- за допомогою автоколімаційної зорової труби.

Схема стенда, що ілюструє перший спосіб юстування сітки наведена на рисунку:

Згідно першого метода діоптрійну трубку настроюють на різке зображення сітки коліматора, що створене в фокальній площині об^,єктива телескопічної системи і знімають відлік А₁. Після цього діоптрійну трубку настроюють на різке зображення сітки випробуваного приладу і знімають відлік А₂. Різниця дає різність сходимості пучків, що виходять із центрів зображення сітки коліматора і сітки приладу, що випробується. На основі різностей сходимості , розраховують величину , що визначає зсув сітки відносно фокальної площини об'єктива телескопічної системи за формулою:

, де .

При проектуванні приладів величина визначається частковими технічними умовами на прилад. Якщо допустима збіжність менша за вимірювану , то уточнюємо граничну похибку установку сітки

.

Згідно другого метода за допомогою напівпрозорого дзеркала установлють автоколімаційну зорову трубу на нескінченність і знімають відлік z₁ Потім зорову трубу настроюють на різке зображення сітки випробуваного приладу і знімають відлік z_2.

Якщо сітка не співпадає з фокусом об'єктива, то окулярний тубус зорової труби зміщують на величину

.

За отриманим значенням розраховують величину , що визначає необхідний зсув сітки відносно фокальної площини об'єктива телескопічної системи для усунення паралаксу

.

Якщо ця величина більше допустимої необхідно провести уточнення повздовжньої установки сітки.



7. Методика контролю вихідних характеристик монокуляра

Методику контролю вихідних характеристик покажемо на прикладі телескопічної системи монокуляра.

На практиці в приладах на базі телескопічних систем контролюють два основних параметра:

а) збільшення телескопічної системи,

б) кут поля зору телескопічної системи.

Існує декілька способів контролю збільшення телескопічних систем. Всі вони базуються на основі формули для видимого збільшення телескопічної системи:

(6.1)

Схема установки для контролю видимого збільшення телескопічної системи по кутовому збільшенню наступна:

Схема включає коліматор, що вміщує сітку 1, і об'єктив 2, випробовувану телескопічну систему 3 і зорову трубу 4. Спочатку за відсутності системи 3, візують зорову трубу 4 на сітку коліматора і визначають скільки поділок по сітці зорової труби міститься в зображенні визначеного інтервалу в сітці коліматора m₂. Після цього встановлюють випробовувану телескопічну систему і знову визначають скільки поділок за шкалою зорової труби міститься в зображені того ж інтервалу поділок сітки коліматора m₁.

Видиме збільшення телескопічної системи визначають за формулою:

.

Другий спосіб контролю видимого збільшення заснований на використанні мікроскопа - динаметра. Згідно способу на оправу об'єктива телескопічної системи надівають діафрагму визначеного діаметра D і за допомогою мікроскопа -дінаметра визначають розмір її зображення d, а далі визначають збільшення за формулою(6.1). Схема контролю наступна:

Стенд містить джерело випромінювання 1, конденсор 2, світлофільтр 3, світлорозсіювач 4, діафрагму 5 розміром D. За випробуваною системою 6, розташовується мікроскоп-динаметр 7, що складається із мікрооб'єктива, котрий має збільшення , і окуляра, що має видиме збільшення . Достоїнством мікроскопа є велике лінійне поле зору 10 мм. Мікроскоп оснащений сіткою, що має 100 поділок з ціною поділки 0,1 мм. За допомогою мікроскопу визначають розмір d, а потім розраховують збільшення за формулою(6.1).

Для визначення кутового поля зору приладів на базі телескопічної системи використовують ширококутні коліматори на базі фотографічного об'єктива «Індустар-51». Схема стенда наведена на рисунку:



Схема складається із вузла підсвітки 1, сітки коліматора 2, з ціною поділки 5”, об'єктива «Індустар» 3, що має кут поля зору , випробуваної телескопічної системи 4. Навпроти об'єктива ширококутного коліматора закріплюють випробовувану телескопічну систему так, щоб зображення шкали коліматора проходило через центр сітки випробовуваного приладу. Ця сітка одночасно є польовою діафрагмою. Центр сітки необхідно сумістити з нульовим штрихом шкали коліматора. Визначають крайні поділки шкали коліматора, котрі видні в полі зору телескопічної системи і роблять два відліка від нульового штриха коліматора, обмежені справа і зліва польовою діафрагмою телескопічної системи. Сума відліків дає кутове поле зору приладу, що випробується.



Висновок

Метою даного проекту було проектування конструкції монокуляра із заданими характеристиками з обертаючою призмою АкР-60?.

Ми набули навиків у розрахунку конструктивних параметрів об'єктивів та окулярів, а також правильного розрахунку призм та складання креслень приладів з телескопічною системою. Детально розглянули і повторили усе вивчене на заняттях по технології та конструюванню.

Розроблений монокуляр можна використовувати як спостерігаючий пристрій, а також як елемент інших складніших конструкцій.



Література

1. Конспект лекцій по предмету «Розрахунок та конструювання оптичних приладів»,2009 р.

2. Кругер М.Я. „Довідник конструктора оптико-механічних приладів”, Машинобудування,Л, 1967 р.

3. Розрахунок і конструювання оптичних приладів: Методичні вказівки до виконання курсового проекту для студентів напряму підготовки 6.051004 "Оптотехніка" / Уклад.: О.К.Кучеренко. - К.: НТУУ “КПІ”, 2010

4. Туригін И. А. „Прикладна оптика”. Том 2.,Машинобудування, М., 1966 р.

Размещено на Allbest.ru

...