Тема 10. Розрахункі і компонування приладів на базі коліматорних і телескопічних оптичних систем

Лекція № 37. Розрахункі приладів на базі оптичної схеми коліматора

 

Коліматори застосовують для імітації нескінченно видаленого джерела, для створення потрібної опроміненості у вхідній зіниці випробовуваного приладу, при юстувальних роботах (усунення паралакса), для контролю якості зображення, що створюється об'єктивом. Головними частинами коліматора є:

1. Об'єктив (лінзовий або дзеркальний).

2. Джерело випромінювання.

3. Вузол світлофільтрів.

4. Вузол тест об'єктів.

 

Приклад схеми коліматора з дзеркальною оптикою наступний

(Рис.10.1)

 

А

8

1

1

2

3

4

5

6

7

8

А

8

9

0

А

Рис. 10.1. Коліматор з дзеркальною оптикою

На рисунку 10.1 показані:1 – джерело випромінювання (лампа розжарювання, галогенна лампа, модель АЧТ, світлодіод, лазер);

2 – допоміжний конденсор для формування пучка; 3 – набір змінних світлофільтрів; 4 – дзеркальний конденсор; 5 – світлорозсіювач або молочне скло необхідне для рівномірного освітлення тест-об'єкту; 7 – головний дзеркальний об'єктив; 8 – спеціальне технологічне дзеркало; 9 – вхідна зіниця випробовуваного приладу.

    Для випробування об'єктивів необхідно створювати коліматори з роздільною здатністю об'єктиву в 5 разів більшою за роздільну здатність випробовуваного об'єктиву. Фокусна відстань об'єктиву коліматора має бути в 5 разів більше фокусної відстані випробовуваного об'єктиву:

                                         (10.1)

    Приблизно якість зображення або розмір кола розсіяння одиндзеркального сферичного об'єктива можна оцінити по формулам наведеним нижче.

1.Сферична аберація:

,                                            (10.2)

де - кутовий розмір кола розсіяння.

2. Аберація коми:

,                                       (10.3)

де  - кут поля зору.

3. Астигматизм:

                                          (10.4)

4. Кутовий розмір кола розсіяння, що відповідає дифракційній межі:

                                                   (10.5)

Для забезпечення рівномірного опромінення тест-об'єкта, діаметр освітлюючого пучка має бути:

                                         (10.6)

    Часто коліматори застосовуються для створення заданої опроміненості на вході оптикоелектронного приладу. Такими приладами переважно є прилади інфрачервоної техніки. При використанні коліматорів з одним дзеркальним об'єктивом опроміненість не його виході рівна:

,                                              (10.7)

де  - коефіцієнт сірості джерела;  - коефіцієнт, що враховує втрати на поглинання і віддзеркалення, оптичної системи;  - постійна Стефана-Больцмана;  - температура джерела;  - площа випромінювача;  - фокусна відстань дзеркального об'єктиву

    Часто на вході ОЕП потрібно створювати дуже малі потоки, тоді застосовується двохдзеркальний коліматор, спрощена схема якого наступна (Рис.10.2):

 

 

Рис. 10.2. Двохдзеркальний коліматор

    Тоді опроміненість на вході коліматора буде визначатися співвідношенням:

                                     (10.8)

Расходімость випромінювання на виході коліматора мала:

                                                  (10.9)

Часто при дослідженнях застосовуються лазерні коліматори. Наприклад, в інфрачервоної області спектра. Схема лазерного коліматора приведена на рис 10.3.

1

2

3

4

3

3

5

6

7

8

9

1

0

1

2

4

3

3

5

6

7

8

9

1

0

Рис. 10.3.Лазерний коліматор

На рисунку 10.3 показані: 1 – інфрачервоний лазер; 2 – лазер неоновий для юстування; 3 – система дзеркал для поліпшення компоновки; 4 – пластина з германію (пропускає інфрачервоне випромінювання і видбиває видиме); 5 – дзеркальний конденсор; 6 – тест-об'єкт; 7 – головне дзеркало коліматора; 8 – дзеркало з отвором в центрі; 9 – вхідна зіниця випробовуваного приладу;10 – модулятор.

    Якщо виконується співвідношення (10.9), то фокусну відстань конденсора можна знайти із співвідношення:

 

,                                               (10.10)

де u - кутове розходження випромінювання пучка лазера.

    Апертура пучка променів після проходження діафрагми, визначається кутовим розміром діаграми спрямованості при обмеженні пучка променів прямокутною діафрагмою:

,                                         (10.11)

де К _д - коефіцієнт, залежний від рівня опроміненості на краю діаграми спрямованості лазера. 

 Наприклад, якщо рівень опроміненості на краю діаграми в 2 рази менше, ніж в центрі, то К _д =0,5.

Необхідний діаметр об'єктиву коліматора дорівнює:

                                              (10.12)

 

Лекція №38. Габаритний розрахунок приладів на базі телескопічної оптичної системи

Зорові труби Кеплера і Галілея є класичними представниками телескопичес­ких систем оптичних приладів. Основна властивість телескопічної системи полягає в тому, що пучок паралельних променів, що поступають у вхідну зіницю системи, виходить через вихідну зіницю також пучком паралельних променів. Її називають афокальною, ос­кільки фокусна відстань f’экв телескопічної системи дорівнює нескінченності:

 

де f₁’ і f₂’ - фокусні відстані першого і другого компонентів;  - оптичний інтервал. При = 0 отримаємо f’экв = .

Для даної системи збільшення (видиме, кутове і лінійне в зіницях) є постійними. Вони зв'язані один з одним наступною залежністю:

 

                          (10.13)

 

де Гт - видиме збільшення телескопічної системи;  - куто­ве збільшення;  - лінійне збільшення в зіницях; D - діаметр вхідної зіниці; D‘ - діаметр вихідної зіниці;  - кутове поле в просторі предметів; ' - кутове поле в просторі зо­браження; f’об - фокусна відстань об'єктиву; f‘ок – фокусна відстань окуляра.

Кутове поле зору телескопічної системи залежить від кон­струкції вживаного об'єктиву і окуляра. При цьому найбільше кутове поле зору в просторі предметів визначається макси­мально можливим кутовим полем окуляра  ', що є складнішим елементом системи.

При виборі окуляра слід керуватися вимогами, що пред'являються до приладу. Найбільш часто вживаний окуляр має поле зору 30-70°, в межах якого вони дають добру якість зображення. Для фокусних відстаней окуляра встанов­лений нормальний ряд: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 мм.

Сітка повинна знаходитися в передній фокальній площині оку­ляра і обернена штрихами до окуляра для виключення паралакса.

Об'єктив вибирають залежно від збільшення системи, поля зору, світлосили і розмірів приладу.

Розрахунок рекомендується виконувати спільно з графічною побудовою ходу променів (рис. 10.15) в наступній послідовності:

1) розрахувати і вибрати окуляр;

2) розрахувати і вибрати об'єктив;

3) визначити світлові діаметри об'єктива і окуляра;

4) побудувати хід основ­ных променів;

5) розрахувати сітку;

6) розрахувати призму або систему призм, дзеркала і інші плоскі деталі;

7) виконати спеціальні розрахунки, вказані в завданні;

8) накреслити принципову опти­чну схему.

При вказаних вихідних даних розрахунок слід вести з боку окуляра, тобто визначити його кутове поле  ' і фокусну відстань f‘ок:

 (10.14)

 

Фокусну відстань окуляра визначають з умови достат­нього видалення вихідної зіниці S'p. При цьому потрібно мати на увазі, що в телескопічних системах S'_P’  S'_F’. Відомо, що для оку­ляра Кельнера існують залежності:

 (10.15)

(10.16)

 

 (10.17)

Для симетричного окуляра

 

 (10.18)

 

 

З цих співвідношень визначають f‘ок в першому наближенні і ок­руглюють його значення до найближчого стандартного з нормального ряду. За отриманими даними вибирають окуляр.

 

 

Дані об'єктиву визначають по формулах:

(10.19)

 

Істотне значення має положення вхідної зіниці відносно об'єктиву. Якщо вхідна зіниця збігається з оправою объек­тива, то S_P = f’об. Якщо вхідна зіниця не збігається з оправою объек­тива, то слід вибрати об'єктив з винесеною вхідною зіницею. В цьому випадку Sp заздалегідь потрібно розрахувати. Після цього за отриманими даними вибирають об'єктив. Якщо вибраний об'єктив відрізняється своїми параметрами від розрахункового, то його необхідно перерахувати через коефіцієнт перерахунку Кпер.

Для визначення світлових діаметрів системи з двох компонен­тів, розташованих на відстані d, необхідно знати положення їх головних фокусів і головних площин. Якщо вхідна зіниця співпадає з оправою об'єктиву, то його світловий діаметр рівний D_o6. Для визначення світлового діаметру окуляра потрібно розрахувати хід апертурного променя, падаючого на край вхідного променя, коли h1 = - D/2, і двох польових променів, що проходять через верхній і нижній краї вхідної зіниці, тобто m = ±D/2. Розрахунок висот h _i+1 і кутів _i+1 у системі проводять по формулах довільного променя:

(10.20)

 

(10.21)

 

де і - порядковий номер величини.

Якщо задано віньєтування, то світлові діаметри перераховують з врахуванням коефіцієнта віньєтування. При незаданому виньєту­ванні його значення визначається розрахунком. Для цього уточ­нюють видалення вихідної зіниці і розраховують висоту h₂ в зворотному ході. Положення вихідної зіниці відносно заднього фокусу окуляра рівне

(10.22)

 

Тоді видалення вихідної зіниці S'_P’ і відстань від задньої голов­ної площини окуляра до вихідної зіниці а '_P‘ рівні:

 

 

Звідси висота h₂ =а’_p·tg ' і світловий діаметр оку­ляра D_СВ.ОК._д = 2h₂. Віньєтування В визначається як різниця між розрахунковим і таким, що діє, світловими діаметрами окуляра. Як пра­вило, воно визначається у відсотках:

(10.23)

 

 

У зорових трубах допускається віньєтування до 60-70%. В цьому випадку світловий діаметр окуляра необхідно перерахувати, помноживши його на коефіцієнт віньєтування.

За розрахованими даними виконують побудову ходу променів (рис. 10.15, а).

Розрахунок сітки виконують, виходячи з умови рівності її діаметру Dс діаметру польової діафрагми Dпд:

 (10.24)

 

Цю величину необхідно перевірити через поле зору окуляра

 (10.25)

 

Причому діаметр D_с2 має бути більше або рівний D_с1, інакше станеться те, що поле зору буде зрізане окуляром. Товщину сітки виби­рають із довідника конструктора. Подовження, що вноситься сіткою d_с, дорівнює

(10.26)

 

Якщо задана кутова ціна ділення сітки ω_N то ціну ділення в лінійній мірі y_N розраховують по формулі

                                                                                                        (10.27)

                                                   

Для зручності відліку за шкалою або барабаном гвинтового механізму величину у_N, округлюють до цілого значення. Наприклад, якщо у_N = 0,01 мм, f’об = 500 мм, то в кутовій мірі ω_N= 4. Товщину штриха t сітки визначають через збільшення окуляра f‘ок/250 і роздільну здатність ока в лінійній мірі:

(10.28)

 

З технологічних міркувань товщину штриха менше 0,01 мм брати не рекомендується. Для підвищення точності наведення на штрих або перехрестя часто використовують бисектор на сітці у вигляді двох паралельних штрихів з відстанню між ними, рівною (2-3) t.

Якщо необхідно розрахувати призматичну обертаючу систему, то розміри призми і її положення визначають за допомогою графоаналітичного методу проф. І. А. Туригина. При цьому призма замінюється еквівалентною плоскопаралельною плас­тинкою, приведеною до повітря (зредукваною призмою). Залом­лення на зредукованій призмі не враховується при визначенні габаритних розмірів і побудові ходу променів в системі.

Окрім цього часто потрібно розрахувати роздільну здатність системи (теоретичну і реальну), що дорівнюють:

 (10.29)

Лекція №39. Схеми і принципи компоновкі телескопічних прицілів

 

Розрізняють два типа телескопічних прицілів:

§ з лінзовими обертальними системами;

§ з призмовими обертальними системами.

При визначенні збільшення монокулярного телескопічного приціла необхідно враховувати фактори, що впливають на характеристики приціла і зведені в формулу:

                                            (10.30)

де:  - кутове поле зору прицілу в градусах; коефіцієнт монокулярного зору (  град²·(Кд/м²)^-0.3·(кут.хв.)^-3·с^-1); - коефіцієнт контрасту цілі і фона; - коефіцієнт розсіювання; - кутовий розмір цілі; - коефіцієнт пропускання оптичної системи; - яскравість фона; - середній час пошуку цілі.

Збільшення бінокулярного прицілу дорівнює:

                                     (10.31)

град²·(Кд/м²)^-0.3·(кут.хв.)^-3·с^-1-коефіцієнт бінокулярного зору.

                           

Типові характеристики телескопічних прицілів наведені в таблиці 10.2

                                                            Табл.10.2

Тип прицілу Країна	Оптичні характеристики		Масо-габаритні
	Г		L	D/Dоб	m(Г)
VZF1 - 4*24 Німеччина	2,5		278		410
ПОСП 8*42 Білорусь	8		380		700
ARTEMIS-2000 Чехія	-		317		550
ПО 3-9М Україна («Арсенал»)	-		300		430

 

Приціли з призмовою обертальною системою можуть мати два варіанти компоновки. Схема приціла при розташуванні обертальної системи в паралельному ході променів наступна (Рис.10.16.).

Рис.10.16. Приціл з обертальною системою в паралельному ході променів

На рисунку показані: окуляр-1; сітка-2; об’єктив-3; призмова обертальна система-4.

Характеристики такого приціла:

; ; мм; ; ; ; .

Схеми прицілів коли обертальна система розташована за об’єктивом в пучку променів, що сходиться з використанням призм Пк-0° та Порро 1 роду наступні (Рис.10.17. та Рис.10.18.).

Рис.10.17. Схеми приціла з використанням призми Пк-0°

На рисунку показані: окуляр-1; сітка-2; об’єктив-3; призма Пк-0°-4.

Характеристики такого приціла:

мм; ; ; .

Рис.10.18.Схеми приціла з використанням призми Порро 1 роду

На рисунку показані: окуляр-1; сітка-2; об’єктив-3; призмова обертальна система-4.

Характеристики такого приціла:

мм; ; ; .

Деякі приціли містять волоконно-оптичний обертальний елемент. Схема використання такого елемента наступна (Рис.10.19.).

Рис.10.19. Приціл з волоконно-оптичним обертальним елементом

На рисунку показані: окуляр-1; сітка-2; об’єктив-3; волоконно-оптичний елемент-4.

Характеристики такого приціла:

мм; ; ; .

В прицільних системах використовуються спеціальна прицільна сітка, котра дозволяє по розміру зображення на сітці орієнтовано визначити відстань до цілі. Для цього в прицільних системах окружність ділиться не на , а на 6000 рівних частин. Лінійний інтервал, що відповідає одній поділці тоді дорівнює:

                .                                               (10.32)

Така поділка має назву ділення окружності в тисячних дистанції. В кутових величинах цій довжині окружності відповідає кутовий інтервал .

Кутовий інтервал дорівнює:

При цьому для визначення лінійної ціни поділки сітки, виходячи зі схеми наведеної на рисунку 10.20. можна користуватись співвідношенням:

Рис.10.20. Визначення лінійної ціни поділки сітки

.                                                          (10.33)

де f фокусна відстань об’єктива приціла.

Оптична схема стрілецького прицілу змінного збільшення від 3 до 9 разів з лінзовою обертальною системою показана на рисунку 10.21. Вона містить фокусуючий об’єктив 1, що складається з трьох лінз, дві з яких склеєні; звужуючий колектив 2; обертаючу систему 3, що формує пряме зображення в передній фокальній площині окуляру 4.

Рис.10.21. Оптична схема телескопічної прицільної системи

Основні експлуатаційні характеристики цієї системи наведені в табл.10.3

                                                                                Табл. 10.3

Видиме збільшення, Г^х	3,01^х	8,99^х
Поле зору, 2ω	7º30’	2º30’
Діаметр вхід. зін., мм	34,6	38
Діаметр вихід. зін., мм	11,6	4,2
Віддален. вихід. зін., мм	78	80
Роздільна здатність	20’’	7’’
Фокус окуляра

                                             

Лекція №40. Схеми і принципи компоновкі коліматорних прицілів

 

Структурна схема коліматорних прицілів має наступний вигляд (рис.10.22):

1

2

3

4

7

6

5

Рис.10.22. Структурна схема коліматорних прицілів

На рисунку показано: 1- джерело випромінювання; 2-світлофільтр для забарвлення зображення сітки, з метою підвищення контрасту сітки відносно яскравого оточуючого середовища; 3- прицільна сітка, що розташована в фокальній площині коліматорного об’єктива; 4- коліматорний об’єктив; 5- пристосування для суміщення зображення сітки з ціллю; 6- нейтральний світлофільтр, для зниження яскравості фона і підвищення контрасту сітки; 7- захисне скло.

Класифікація коліматорних систем прицілювання (КСП) проводиться за різними ознаками.

1) За типом освітлювача:

§ з штучним підсвічуванням;

§ з природнім підсвічуванням.

    В якості штучного освітлювача використовуються лампи накалювання, світлодіоди, електронно-променеві трубки.

2) За типом світлофільтрів:

§ з світлофільтрами з органічного скла;

§ з світлофільтрами з пофарбованої пластмаси;

§ з поляризаційними світлофільтрами;

§ з інтерференційними світлофільтрами та ін.

3) За типами прицільної сітки:

§ з голографічною сіткою;

§ з сіткою на скляній підкладці;

§ з сіткою на металевій підкладці;

§ з ірисовою діафрагмою та ін.

4) За типом об’єктива:

§ лінзові;

§ дзеркальні;

§ меніскові;

§ голографічні.

5) За типом суміщення:

§ з нейтральним напівпрозорим дзеркалом;

§ з інтерференційним дзеркалом;

§ з голографічним дзеркалом.

КСП має необмежене поле зору, що відповідає полю зору ока. Це особливо важливо при стрільбі по цілям, що рухаються з великою кутовою швидкістю. Другою перевагою є відсутність необхідності точного базування ока відносно лінії візування. Недоліком є залежність видності прицільної сітки від фона, на якому вона спостерігається.

Деякі принципові схеми КСП наступні:

§ Оптична схема КСП «РУР» показана на рис.10.23.

Рис.10.23.Оптична схема КСП «РУР»

 

На рисунку показано: напівпрозоре дзеркало-1; лінзовий об’єктив-2; дзеркало для компонування прицілу-3; прицільна марка-4.

Пристосування підсвітки відсутнє.

    Залежність між габаритами приціла та фокусною відстанню об’єктива f і діаметром об’єктива D тут і в подальших схемах наступні:

Оптична схема системи прицілювання з дзеркальним об’єктивом показана на рис.10.24.

 

Рис.10.24. Оптична схема дзеркальної системи прицілювання

На рисунку показано: дзеркальний об’єктив-1; плоско - паралельне напівпрозоре дзеркало-2; дзеркало-3; сітка-4.

Оптична схема моноблочної дзеркальної КСП показана на рис.10.25.

 

Рис.10.25. Оптична схема моноблочної дзеркальної КСП

На рисунку показано: призма АР-90^° зі сферичною дзеркальною поверхнею-1; призма БР-180^°-2; клин-3; сітка-4.

Оптична схема меніскової КСП показана на рис.10.26.

Рис.10.26. Оптична схема меніскової КСП

На рисунку показані: сферичний меніск-1; плоско-паралельне дзеркало-2; дзеркало-3; прицільна марка-4.

 Типові характеристики коліматорних прицілів наведені в таблиці 10.4

                                                                                         Табл.10.4

Тип	Довжина (мм)	Ширина (мм)	Висота (мм)
ПСК-20 (лінз.) Білорусь   ПКС (лінз.) Україна   Кобра (меніск.) Росія   72-0130 (меніск.) США	170     127     140     140	40     30     60     35	40     60     138     35