Огляд оптичних схем монокулярів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розділ 1. Огляд оптичних схем монокулярів: об'єктивів, призмових обертових систем, окулярів

телескопічний окуляр зіниця зоровий труба

1.1 Основні схеми Кеплера і Галілея

Оптичні системи, призначені для спостереження далеких предметів, називаються телескопічними системами, або зоровими трубами.

До телескопічних систем відносяться системи геодезичних приладів (теодоліт, нівелір тощо), астрономічних труб, спостережних приладів (біноклі, перископи, далекоміри і т. п.). Телескопічні системи працюють спільно з оком спостерігача, тому їх ще називають зоровими трубами.

Так як розглянутий предмет вельми віддалений, то можна вважати, що промені, що виходять з будь-якої точки предмета, входять в телескопічну систему паралельними пучками. Для того щоб око спостерігача без акомодації бачило різко зображення предмета, необхідно, щоб з телескопічною системи виходили також паралельні пучки променів.

Отже, принцип дії телескопічної системи полягає в тому, що, якщо від двох точок віддаленого предмета в неї надходять два пучка паралельних променів і кут між пучками дорівнює щ, то на виході телескопічної системи промені залишаються паралельними, але кут між пучками зміниться і дорівнюватиме щ '. Якщо щ '> щ, то око спостерігача побачить зображення предмета під великим кутом зору, тобто предмет буде здаватися наближеним до спостерігача.

Телескопічна система, як мінімум, повинна складатися з двох компонентів - об'єктиву і окуляра. Щоб паралельні промені пучків у просторі предметів були паралельними і в просторі зображень, необхідно поєднати задній фокус об'єктива з переднім фокусом окуляра, при цьому оптичний інтервал Д дорівнюватиме нулю.

Основними оптичними характеристиками телескопічної системи є збільшення Г_т, кутове поле 2щ діаметр вихідного зіниці D', віддалення вихідної зіниці від останньої поверхні окуляра S'_p' і роздільна здатність ?.

Роздільна здатність телескопічної системи повинна відповідати і роздільній здатності об'єктиву, яка визначається за формулою ?_об = 140" /D.

Отже, збільшенням телескопічної системи називається відношення тангенса кута, під яким око спостерігача бачить зображення, утворене оптичною системою, до тангенсу кута, під яким предмет видно неозброєним оком. Якщо це відношення позитивне, то оптична система утворює пряме зображення, якщо ж воно негативне, то зображення буде перевернутим (зворотним).

Рисунок 1. Схема Кеплера

Зорова труба Кеплера це - оптична система що складається з позитивного об'єктива і окуляра.

Простота конструкції, відсутність віньєтування при порівняно великих збільшеннях і кутовому полі, наявність площині дійсного зображення де можна помістити сітку, є перевагами труби Кеплера. Істотний недолік її - перевернуте зображення, тому трубу Кеплера застосовують у тих випадках, коли предмет який розглядується може бути перевернутий, наприклад: геодезична рейка, оцифровка якій робиться в перевернутому вигляді.

Трубу Кеплера застосовують також в астрономічних інструментах, де наявність перевернутого зображення не заважає спостереженню за зоряним небом.

Рисунок 2. Схема Галілея

Зорова труба Галілея - це оптична система, що на відміну від труби Кеплера має негативний окуляр. Як об'єктив використовується лінза або блок з декількох склеєних між собою лінз.

При одному і тому ж збільшенні і рівних фокусних відстанях об'єктивів система Галілея коротше системи Кеплера на два фокусних відстані окуляра. Незважаючи на такі позитивні властивості, як пряме зображення і мала довжина, труба Галілея має обмежене застосування. Це пояснюється її істотними недоліками, одним з яких є відсутність проміжного дійсного зображення. Оскільки труба Галілея не дає дійсного зображення, то в ній немає місця для угломірної сітки або перехрестя, отже, трубу неможливо навести на будь-яку точку предмета. Крім того, кутове поле труби Галілея значно менше, ніж системи з позитивним окуляром, і залежить, від положення ока спостерігача.

Трубу Галілея застосовують у наглядових системах, візирах фотоапарата, її також використовують в якості додаткової системи зміни збільшення.

1.2 Об'єктиви телескопічних систем

У більшості випадків об'єктиви телескопічних систем мають порівняно великі фокусні відстані. Чим більше фокусна відстань об'єктиву, а отже, і збільшення телескопічної системи, де встановлено такий об'єктив, тим менше його кутове поле.

Найбільш поширеним є двох лінзовий склеєний об'єктив (рисунок 3, а), одна з лінз якого позитивна (з крона), друга негативна (з флінта). Комбінуючи скло різних марок, вдається отримати об'єктив з хорошим виправленням аберацій в центрі поля при відносному отворі 1: 5. Кутове поле двох лінзового об'єктива не перевищує 8-10°. Чим вище вимоги до якості зображення, тим менше відносний отвір і кутове поле об'єктива. Наприклад, в астрономічних трубах і коліматорах, де потрібна особливо хороша якість зображення, застосовують двох лінзові об'єктиви з відносним отвором від 1: 10 до 1: 12 з кутовим полем 1-2°.

В об'єктиві з двох не склеєних лінз (рисунок 3, б) відносний отвір може бути підвищений до 1:3.

Крім того, за рахунок зміни зазору між лінзами можна в невеликих межах змінювати фокусну відстань і таким чином отримувати точно задану фокусну відстань об'єктива, не витримуючи жорстких допусків на виготовлення лінз.

При великому відносному отворі від 1: 1,5 до 1:2 застосовують трьох лінзові об'єктиви (рисунок 3, в), кутове поле яких також невелика і складає 10-12 °. Якщо об'єктив повинен мати велике поле, то використовують більш складні конструкції, наприклад, чотирьох лінзові. Іноді як чотирьох лінзовий ширококутний об'єктив застосовують конструкцію типу окуляра, що складається з двох однакових склеєних компонентів (рисунок 3, г). Вхідне вічко у такого об'єктива завжди винесене вперед. Відносно отвір його 1:4; кутове поле до 40°.

Рисунок 3. Об'єктиви телескопічних систем:

а - двох лінзовий; б - з двох не склеєних лінз; в - трьох лінзові; г - чотирьох лінзові

1.3 Аналіз призмових обертаючих систем

Призмова обертаюча система являє собою одиночну призму в якій одна з відбиваючих граней виконана у вигляді даху. Для повного обертання зображення застосовують призми з дахом. Будь-яку відбивну призму можна перетворити на дахоподібною шляхом заміни однієї з граней двома, утворюючи між собою кут 90°.

На рис. 4 представлені різні призми з дахом. Призначення дахоподібної призми - перевернути зображення зліва-направо. В оптичних приладах виправдовується встановлення тільки однієї дахоподібної призми.

В оптичних приладах знаходять застосування комбінації різних призм, звані призматичними системами.



Рисунок 4. Призми з дахом: а - прямокутна призма БР-180°; б - пентапризма; в - призма Шмідта

Призма-куб (рисунок 5) складається з двох прямокутних призм, склеєних гіпотенузними гранями, одна з яких має відбиваюче покриття. Призма дає дзеркальне зображення; застосовується як оглядова призма при великих змінах кута візування. У положенні I працює тільки одна половина призми. У міру її повороту для візування в зеніт (положення II) починає включатися друга половина призми - обидві половини працюють однаково, аналогічно призмі Дове.

Рисунок 5. Призма-куб

На рис. 6 зображена проста прямокутна призма з дахом, нанесена на гипотенузну грань. Вхідний пучок променів, що має в перетині коло, повинен вписуватися в кут між гранями даху. Гострі кути призми В, С і ребро А можуть бути зрізані. При відображенні пучка променів від граней даху має місце повне внутрішнє віддзеркалення, тому немає необхідності їх сріблити. Довжина ходу променя в призмі d = 1,732D; с = 1,732. Розміри А В = АС = 1,732D.

Рисунок 6. Прямокутна призма з дахом АкР-90?

Система Порро I роду (рисунок 7) складається з двох прямокутних призм, кожна з яких має дві відбиваючі грані. Головний перетин призм розташований в двох взаємно перпендикулярних площинах (ребра прямих кутів взаємно перпендикулярні). Система не відхиляє пучок променів (щ = 0), але зміщує його паралельно початкового напрямку. Зображення повністю перевернуте; довжина ходу променя дорівнює подвоєною довжині ходу променя в прямокутній призмі з двома відбитками: d = 4D; с = 4. Систему Порро I роду застосовують в біноклях як обертаючі системи.

Рисунок 7. Система Порро І роду

Система Порро II роду (рисунок 8) складається з трьох призм: однієї прямокутної призми з двома відбиваючими гранями і двох прямокутних призм, кожна з яких відбиваюча грань. Система не відхиляє пучок променів (щ = 0), але зміщує його в бік: вона дає повне обертання зображення. Довжина ходу променя d = 40; с = 4.

Рисунок 8. Система Порро ІІ роду

1.4 Окуляри телескопічних систем

Окуляр - оптична система розташована безпосередньо перед оком і призначена для розглядання зображення утвореного оптичною системою. Він має вхідне і вихідне поле зору. Вихідне поле зору у окуляра кутове, його можна виміряти подвійним кутом 2щґ перетину головним променем оптичної осі на виході з окуляра. Вхідне поле зору у окуляра - лінійний діаметр його польової діафрагми.

Розглянемо основні типи окулярів.

Окуляр Рамздена (рисунок 9). Він складається з двох плоско випуклих лінз, звернених опуклими поверхнями всередину. Перша лінза, вміщена у районі фокальної площини окуляра, називається колективом, друга - очна лінза. Відстань між лінзами не перевищує 2/3f '_ок; S_F і Sґ_Fґ приблизно дорівнює 0,3 f'_ок, а це означає, що вихідна зіниця розташована близько до останньої поверхні окуляра. Через мале видалення вихідної зіниці окуляра Рамздена з малими фокусними відстанями (менше 30 мм) застосовувати не можна. Кутове поле 2щ'окулярів Рамздена не більше 25-30°; якість зображення невисоке. Ці окуляри застосовують у найпростіших приладах, які мають малі діаметри вихідних зіниць.



Рисунок 9. Окуляр Рамздена

Окуляр Кельнера (рисунок 10). В результаті удосконалення окуляра Рамздена був розроблений окуляр Кельнера. Цей окуляр також складається з двох компонентів: колективу і очної лінзи, але очна лінза ускладнена - вона склеєна з двох лінз. Кутове поле окуляра досягає 40-50 °; задній фокальний відрізок Sґ_Fґ = 0,4 f ґ_ок .Окуляри такого типу знайшли застосування в польових біноклях.

Рисунок 10. Окуляр Кельнера

Окуляри Ерфле (рисунок 11).

Рисунок 11. Окуляр Ерфле



Окуляри, що складаються з двох компонентів, не можуть мати кутове поле більш 50°. Окуляри Ерфле складаються з трьох компонентів, два з яких - склеєні лінзи, третій - проста лінза. Кутове поле таких окулярів може бути доведено до 70°. Відомі окуляри Ерфле двох тіпов. Окуляр 2-го типу відрізняється від окуляра 1-го типу тим, що його перший компонент містить негативну лінзу, завдяки чому забезпечується більша видалення вихідного зрачка.Наібольшее застосування має окуляр 2-го типу.

Ортоскопічний окуляр (рисунок 12). Цей окуляр складається з двох компонентів, перший з яких склеєний з трьох лінз, другий - плоскоопукла лінза, звернена площиною до ока. Відстань між компонентами становить частки міліметра. В окулярі цього типу краще, ніж у попередніх, виправлена дисторсія - звідси і назва ортоскопічний. Окуляр відрізняється значним віддаленням вихідної зіниці, що дорівнює приблизно 0,75 f ґ_ок; кутове поле 2щ ' = 40°.

Рисунок 12. Ортоскопічний окуляр

Симетричний окуляр (рисунок 13). Має більш високу якість. Він складається з двох однакових лінзових склеєних компонентів. Кутове поле його 40-45°. Окуляр набув великого поширення завдяки простій конструкції, хорошій якості зображення і великому віддаленню вихідної зіниці.



Рисунок 13. Симетричний окуляр



Розділ 2. Габаритний розрахунок монокуляра з вибором оптичної схеми об'єктива та окуляра

Вихідними даними для габаритного розрахунку монокулярів є такі параметри

Видиме (кутове) збільшення Г=10^х

Кут поля зору в просторі предметів 2щ=4?

Діаметер вихідної зіниці D=2,5мм

Довжина системи без врахування переносу зображення призмою L=225мм

Роздільна здатність системи в просторі предметів ш=6 кутових секунд

Віддаленя вихідної зіниці від останньої поверхі окуляра t=14мм

Допустимий коефіціент вінетування ?_щ=0,5.

В результаті розрахунку знаходяться фокусні відстані об'єктива і окуляра.

2.1 Розрахунок параметрів об'єктива і окуляра

Використовуючи систему рівнянь:

(1)

Знаходимо фокусну відстань окуляра

f_ок===25мм (2)



Отримане значення округлюють до значення найближчого з ряду 20,25,30,35,40,45,50. Таким чином фокусна відстань окуляра має значення 30мм

Розраховуєм фокусну відстань об'єктиву

f_об=-Г ·f_ок=-(-10)· 25=250мм (3)

Розраховуємо кут поля зору окуляра за формулою:

2щ=2arctg(?Г?· tgщ)=2arctg(?10?·tg(1^?))=38^? (4)

Діаметр вхідної зіниці системи:

D _вх..зін=D_{вих.зін}·?Г?=2,5·10=25 (5)

Габарити призми визначаться найбільшим із діаметрів світлового пучка D на вхідній або вихідній гранях, який призма повинна пропустити через себе без віньєтування. В довідникових матеріалах всі розміри призм виражаються через D. Тому першочерговою задачею габаритного розрахунку призм є знаходження величини D з урахуванням типу призми, її положення і геометричних параметрів світлових пучків між об'єктивом і окуляром.

Величину D зручно визначати, використовуючи приведену розгортку відбиваючої призми. Приведеною розгорткою називають плоско паралельну пластину товщиною d_p по осі, де d- осьова розгортка призми; n- показник заломлення скла для основної довжини хвилі.

Ця розгортка дозволяє не враховувати заломлення променів на гранях оскільки діаметр пучка на вихідній грані приведеної розгортки є таким же, як і на вихідній грані реальної призми.

Щоб визначити D, необхідно розглянути в меридіональній площині проходження через приведену розгортку призми двох пучків променів. Один із них є паралельним оптичній осі і заповнює всю вхідну зіницю системи, другий - заповнює лише частину отвору зіниці у відповідності з допустимим коефіцієнтом віньєтування kщ і потрапляє в зіницю під кутом щ

Рисунок 14. До розрахунку габаритів призми

Як видно з рисунку 14, перший пучок променів має більший на вихідній грані призми:

D₁=2·h₁

Другий пучок в залежності від свого нахилу і збіжності може мати більший діаметр на вихідній або на вихідній гранях. Тому необхідно проводити розрахунок крайнього (верхнього) променя цього пучка через обидві грані призми, тобто знайти висоти Н₁,і Н₂.

Величина визначаться вибором більшого з трьох значень 2h₁,2H₁,2H₂

Порядок габаритного розрахунку призми

Розраховується e₁

Розраховується h₁

Розраховується H₁,H₂

ВизначаєтьсяD

Розраховуються всі габаритні розміри призм.

Знаходимо відстань між вихідною граню призми і заднім фокусом обектива:

e₂===9,375мм ,

Де D=10…20.

Висота h₁ розраховується за допомогою формул кутів і висот нульового променя, що проходить через систему,задану компонентами:

Де ?_к ?_к+1- кут нульового променя до і після k-го компонента, h_k, h_k+1- висота нульового променя на головних площинах k-го компонента,d_k - відстань між k-тим і (k+1)-м компонентами Ф_к - оптична сила k-го компонента. Наведена формула справедлива для системи, всі компоненти якої знаходиться в повітрі.

Враховуючи, що tg?₁=0, висота променя на вході в систему дорівнює m. Оскільки e₁=f_об --e₂;Ф₁=; d=D·k=2h·k, де m=D_вх.зін,k=,то маємо робочу формулу:

h₁===0,669мм.

Перед розрахунком Н_1,або Н₂ необхідно розрахувати tgи_2.Якщо tgи₂ ? 0, то крайній верхній промінь похилого пучка направляється вниз або е паралельним оптичній осі. Тоді висоти цього променя Н₁?Н₂ і для визначення й достатньо розрахувати тільки Н₁. Якщо tgи₂ ?0, то крайній верхній промінь направляється вверх. Н₁?Н₂. Таким чином,достатньо розрахувати тільки Н₂. Величина розраховується за формулою:

tgи₂=tgщ+(m·k_щ+t·tg_щ)·=tg(1?)=(12.5·0.5+0·tg(1?))·=0.0425

де щ половина кута поля зору (підставляється в формулу в формулу з від'ємним знаком,оскільки промінь що розглядається рухається з низу в верх);

k_щ коефіцієнт допустимого віньєтування

У випадку, коли вхідна зіниця співпадає з тонким обективом (t=0) Маемо:

tgи₂=tgщ+

Висота Н₂ розраховується як різниця відповідних вертикальних відрізків в фокальній площині об'єктива:

Величина D визначається шляхом вибору найбільшого із значень висот h₁ H₁ і H₂ з наступним помноженням вибраного значення на 2:

D=2·max(h₁ H₁ і H₂)

Порівнюючи висоти h₁,Н₂ робимо висновок, що:

D=2·H₂=2·(-3.9766)=7,97532мм

Для розрахунку габаритних розмірів призми до знайденого значення D додати припуск на кріплення (До декількох міліметрів), округлити це значення до найближчого із нормального ряду чисел(ГОСТ 6636-69).

Отримане нове значення D далі використовується для розрахунку габаритних призми.



Рисунок 15

Виконуємо розрахунок розмірів призми:

a=D a=10

C=2·D C=2·10мм

C₁=2.618·D C₁=2.618·10=26.18мм,

m=0.357·D m=.0357·10=3.57мм,

d=4,535·D d=4,535·10=45.35мм,

R=.05·D R=0.5·10=5мм

L=0.5·D l=0.5·10=5мм

Розрахунок діаметра польової діафрагми

Промені з подвійною стрілкою (рис 2.1) повинні перетинатися на краю отвору польової діафрагми. Тому діаметр польової діафрагми дорівнює:

D_П.Д=2·f_об·?tgщ?=2·250·?tg(1?)?=8,7мм

Вибір окуляра

Для вибору окуляру скористаємося таблицею 1.

Відповідно до цієї таблиці, параметрам 2щ=38? і t/f_ок=14/25=0,56 в найбільшій мірі відповідає Симетричний окуляр. Вибираємо симетричний окуляр.

Таблиця 1. Параметри окулярів ЗТ

Таблиця 2. Конструктивні параметри Семитричного окуляра.

№ поверхні	Радіуси кривизни, мм	Осьові відстані, мм	Показники заломлення
			1,0
1	68,68
		1,5	1,620539
2	21,01
		7,5	1,518296
3	-30,50
		0,1	0,1
4	30,58
		7,5	1,518296
5	-21,01
		1,5	1,620539
6	-68,86
			1,0



Параксіальні характеристики Симетричного окуляра

F,мм	S`F,мм	SF,мм
24,97236	18,82957	-18,82957

Так як табличне значення задньої фокусної відстані f ` Симетричного окуляра 24,97236 мм, а розрахункове значення тієї ж відстані рівне 25, то значення коефіцієнта масштабування окуляра дорівнює

=1.

Далі уточнюємо відалення вихідної зіниці:

t`= =18,82957+

де z₀=f`+t - відстань від попереднього фокусу об'єктива до вихідної зіниці; - повздовжня аберація в зіницях (при великих кутах нахилу головного променя може досягти -2…-3мм).

Як бачимо, величина t `перевищує задану величину, значить окуляр вибрано правильно.

Вибір об'єктива

Об'єктив вибирається по двом параметрам:куту поля зору та відносному отвору. Значення відносного отвору обчислюють за формулою:

А===1:10

Размещено на Allbest.ru