(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Проектирование измерительного микроскопа
Курсовой проект
по дисциплине: «Прикладная оптика
“Проектирование измерительного микроскопа ”
ВВЕДЕНИЕ
Микроскоп — оптическая система для получения увеличенных изображений микро объектов с целью их измерения и исследования характеристик. При помощи микроскопов определяют форму, размеры, строение и почти все остальные свойства микрообъектов, также микроструктуру объектов. Микроскопы находят обширное применение в медицине, ювелирной индустрии и остальных областях техники, где нужно следить и изучить объекты, невидимые невооружённым глазом. По собственному многофункциональному предназначению микроскопы делятся на наблюдательные и измерительные.
Микроскопы бывают: оптические, электрические, рентгеновские, дифференциальные интерференционно-контрастные микроскопы. В данной работе нами проектируется измерительный микроскоп.
Оптическая система микроскопа в главном состоит из — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на железном основании, на котором имеется предметный столик.
Цель данного курсового проекта — расчет ОС измерительного микроскопа в согласовании со последующими техническими требованиями:
-Гх
,мм
D?, мм
t?, мм
?,мм
150
160
>1
>7
0,01
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ МИКРОСКОПА
При габаритном расчете необходимо найти тип объектива и окуляра, которые будут удовлетворять данным условиям. Располагая данными о параметрах оптических частей и следуя принципу наибольшей унификации частей разрабатываемого устройства, осуществляем выбор готового окуляра и объектива. Выбор делается по каталогу. Объектив микроскопа обычно представляет собой линзовую систему (несколько линз, в том числе и склеенные), окуляры могут производиться по схемам Кельнера, Эрфле, Симметричного окуляра, Рамсдена, Гюйгенса и др.
Начальными данными для расчета являются более принципиальные характеристики оптической системы микроскопа, к ним относятся: видимое повышение, поперечник выходного зрачка, положение выходного зрачка, допустимый коэффициент виньетирования наклонного пучка лучей. В итоге расчета нужно получить данные для разработки чертежа оптической системы — конструктивные характеристики и марки стекол всех частей системы, поперечникы и положение диафрагм, расстояния меж элементами и др.
Задачей габаритного расчёта оптической схемы устройства является:
Обоснование многофункциональной схемы микроскопа и нахождение рациональной схемы ОС. Определение положения в оптической схеме пластинок ,зеркал, призм, также их размеров.
Определение фокусных расстояний относительных отверстий и полей зрения объектива, окуляра и остальных компонент, входящих в систему, и нахождение их обоюдного расположения и поперечников.
Обоснование объектива и окуляра. Определение положения зрачков и диафрагм.
1.1 Обоснование многофункциональной схемы микроскопа
Многофункциональная схема микроскопа, согласно принципам построения таковых систем, содержит: объектив, окуляр, апертурную и полевую диафрагмы (рис.1).
Объектив строит промежуточное действительное изображение в плоскости полевой диафрагмы. Окуляр предназначен для согласования объектива и глаза. Апертурная диафрагма ограничивает ширину пучка лучей выходящих из осевой точки предметной плоскости.
Рис.1. Многофункциональная схема микроскопа
Схема (рис.2) быть может получена из многофункциональной если поменять составляющие конечной толщины условно тонкими. Не считая того на расчетной схеме показаны фокусные расстояния, оптический интервал и остальные расстояния.
Рис. 2. Схема микроскопа
1.2 Обоснование компонент микроскопа
При проектировании микроскопа на первом шаге обосновываем объектив, для этого рассчитываем числовую апертуру:
Тогда из каталога избираем объектив с пригодной числовой апертурой и длиной тубуса. Этому требованию удовлетворяет объектив М-42,характеристики которого приведены в табл.2, а схема показана на рис.3.
Конструктивные характеристики объектива М-42 Таблица 2
r, мм
d, мм
n
марка стекла
?
1
1
8,95
1,6475
ТФ1
2
-8,93
1,5181
КФ4
13,73
144,4
1
1
13,87
1,6475
ТФ1
2
-13,81
1,5181
КФ4
Рис.3. Cхема объектива М-42
Апертурный угол ?А определяем по формуле:
?А = arcsin NA. (1)
?А = -arcsin 0,2 = -.
Оптический интервал (рис.3.) определяем по формуле:
? = -?о fоб. (2)
? = 8·18 = 144 мм.
Определим положение предметной плоскости zоб по формуле:
zоб = -(fоб)2/?, (3)
zоб = -(18)2/144 = -2,25 мм.
Вычисляем числовую апертуру объектива в пространстве изображений по формуле:
NA/ = NA / -?о. (4)
NA/ = 0,2/ 8 = 0,025;
?А = arcsin NA/ = arcsin 0,025 = 1,43?.
Определим линейное поле микроскопа по формуле:
микроскоп оптический окуляр объектив
2ум = DПД / -?о, (8)
где DПД = 10 мм (см. табл.3).
2ум = 10 / 8 = 1,25 мм.
Определим поперечник апертурной диафрагмы DАД согласно выражению:
DАД = 2? tg ?А. (5)
DАД = 2 · 144· tg 1,43? = 7,20 мм.
Избираем окуляр, для этого находим видимое повышение и фокусное расстояние f1ок окуляра по формулам:
Гок = -Гм / ?о, (6)
f`ок = 250 / Гок. (7)
Гок = 150 / 8 = 18,75х ,
f `ок = 250 / 18,75 = 13,3 мм.
Из каталога окуляров [1] избираем окуляр. Вышеуказанным требованиям, более отлично, удовлетворяет окуляр Гюйгенса, характеристики которого занесены в табл. 3,схема представлена на рис.4.
Конструктивные и оптические характеристики окуляра Гюйгенса
Таблица 3
r, мм
d, мм
n
Оптические характеристики
18,29
fок=25,01 мм;
Гок=15х;
2?ок=2;
DПД= 10 мм;
мм;
=4,9 мм;
3,98
1,5183
?
25,17
1
9,45
1,25
1,5183
?
Рис.4. Схема окуляра Гюйгенса
Рассчитаем коэффициент подобия по формуле:
К= /=18,75/15=1,25
Учтём коэффициент подобия для пересчета характеристик окуляра Гюйгенса, данные представлены в табл.4
Конструктивные и оптические характеристики окуляра Гюйгенса
Таблица 4
r, мм
d, мм
n
Оптические характеристики
22,86
fок=31,26 мм;
Гок=15х; 2?ок=32,; DПД=10 мм;
=5,34 мм;
=6,13 мм;
4,38
1,5183
?
31,46
1
11,81
1,25
1,5183
?
Вычислим поперечник выходного зрачка по формуле:
D/ = DАД z/ / fок. (9)
D/ = 7,2· 6,79 / 31,26 мм = 1,56 мм.
Отысканное
Вычислим световые поперечникы линз окуляра Dсв,1 и Dсв,2 , по формулам:
, (10)
Dсв,2 = 2 tg ?ок + D/. (11)
,
Dсв,2 = 2 · 12,13· tg (32,5?/2) + 1,56 мм = 8,7 мм.
Поперечникы линз объектива рассчитываем по формуле:
(12)
мм,
мм.
1.3 Выводы
1) Выполненные расчеты дозволили доказать объектив и окуляр микроскопа, являющиеся главными компонентами.
2) Проведенные расчеты дозволили также найти продольные и поперечные размеры ОС микроскопа.
3) Приобретенные результаты разрешают создать принципную схему микроскопа.
Рис.5. Принципная схема микроскопа
Таблица 4
Конструктивные характеристики микроскопа
№
Наименование
d, мм
D, мм
n
r, мм
Объектив
1
Линза
1,0
5,6
1,6475
?
8,95
2
Линза
2,0
1,5181
-8,93
-8,93
3
Линза
1,0
3,2
1,6475
144,4
13,87
4
Линза
2,0
1,5181
13,87
-13,81
Окуляр
5
Линза
3,98
—
1,5183
22,86
?
6
Линза
1,3
—
1,5183
11,81
?
2.исследование ОС ОБЬЕКТИВА НА ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач). РАСЧЕТ ТРАЕКТОРИИ ЛУЧА ЧЕРЕЗ ОС. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
P — число оптических поверхностей
R(I) и DL(I) — радиус кривизны и поперечник оптич. пов-ти
E(I) — эксцентриситет i-ой поверхности
D0(I) — расстояние от (i-1)-ой до i-ой поверхности
N(I) и N(P1) — показатель преломления среды до i-ой пов-ти и в
пространстве изображений
DA и T — поперечник и вынос входного зрачка ОС
S1 — расстояние от 1-ой пов-ти до предметной пл-ти
R — относит. координата окр-ти на вх-ом зрачке
T1 — угловая координата меридиональной пл-ти
YA — координата т-ки в предметной пл-ти либо координата
— луча в пространстве предметов ( при S1=0 )
Начальные данные вводить с учетом правила символов. При всем этом, если
предметная пл-ть размещена на бесконечности, вводить S1=0 и YA в
градусах; для плоской поверхности принять R(I)=0.
Расстояние D(1) от 1-ой до 0-ой поверхности принять равным (-Т).
Введите P,S1,T:6,-9,0
Введите N(P1),DA:1,6.65
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):1,0,0,1,5.91,0
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):2,8.95,1,1.6475,5.91,0
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):3,-8.93,2,1.5181,12.32,0
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):4,144.4,13.73,1,12.32,0
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):5,13.87,1,1.6475,12.32,0
Введите I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):6,-13.81,2,1.5181,12.32,0
Катигоричные злементы ОС:
f’= 18.18049 мм; s’F’= 5.83564 мм; sF=-6.7065 мм
Роста ОС: B=-7.926961 ; Bзр= 2.710878
Удаление пл-тей предметов и изобр: s=-9 мм; s’= 149.9517 мм
Удаление вх-го и вых-го зр-ов: t= 0 мм; t’=-43.44946 мм
Поперечник вх-го и вых-го зр-ов: D= 5 мм; D’= 13.55439 мм
Рассчет аберрации для апертурного луча:
Координаты точки и луча на входном зрачке:
m = 2.5 мм; M = 0 мм;
Координаты точки и луча на i-ой поверхности
I Y мм X мм Z мм
+1.0000E+00 +2.5000E+00 +0.0000E+00 +0.0000E+00
+2.0000E+00 +2.7351E+00 +0.0000E+00 +4.2817E-01
+3.0000E+00 +2.9597E+00 +0.0000E+00 -5.0473E-01
+4.0000E+00 +4.9642E+00 +0.0000E+00 +8.5355E-02
+5.0000E+00 +5.0975E+00 +0.0000E+00 +9.7066E-01
+6.0000E+00 +5.1033E+00 +0.0000E+00 -9.7751E-01
Координаты точки в плоскости изображений:
Y’A’= 0.1109047 мм; X’A’= 0 мм;
Координаты точки и луча на входном зрачке:
m = 0 мм; M = 0 мм;
Координаты точки и луча на i-ой поверхности
I Y мм X мм Z мм
+1.0000E+00 0.0000E+00 +0.0000E+00 +0.0000E+00
+2.0000E+00 — 4.0412E -02 +0.0000E+00 +9.1195E-05
+3.0000E+00 -1.2886E — 01 +0.0000E+00 -9.2971E-04
+4.0000E+00 -9.4918E — 01 +0.0000E+00 +3.1195E-03
+5.0000E+00 -9.8387E — 01 +0.0000E+00 +3.4940E-02
+6.0000E+00 -1.0658E +00 +0.0000E+00 -4.1189E-02
Координаты точки в плоскости изображений:
Y’A’=-4.752703 мм; X’A’= 0 мм;
2.1 Расчет конструктивных характеристик
На первом шаге высчитали конструктивные характеристики системы, расчет исполняем на ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач), при помощи программки «LUCH-D », разработанной на кафедре ОЭС. Начальными данными для расчета являются рассчитанные ранее характеристики оптической системы.
Рассчитанные на ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) конструктивные характеристики объектива представлены в табл.5 Таблица 5
Параметр
Расчет(ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач))
Расчет(ручной)
,мм
18,18
18
,мм
5,83
5
,мм
-6,70
6,13
-7,92
8
S,мм
-9
-8,6
t,мм
0
0
D,мм
5
5,34
,мм
149,95
144,8
,мм
-43,45
0
,мм
1,56
>1
Из таблицы следует, что результаты ручного и машинного расчетов некординально различаются.
3. ВЫВОДЫ
Результатом данного курсового проекта разработан измерительный микроскоп, включающий в себя окуляр Гюйгенса и объектив M-42. Данный микроскоп является устройством для линейных измерений микрообъектов. значения рассчитанных и приобретенных на ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) кардинальных частей не совпадают в следствие того, что имеется погрешность вычислений, не вполне соответственный тип окуляра для данного микроскопа и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бегунов Б.Н и др. Теория оптических систем. — М: Машиностроение,1981.
2. Гавриленков В.А. Теория и элементная база оптических устройств. Смоленск: 1996-144 с.
3. Гавриленков В.А. Проектирование оптических систем. М.:МЭИ,1994.-97с
4. Гавриленков В.А., Широких Т.В. Оформление конструкторской документации в оптике и электронике. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. М.:МЭИ,1992.-63 с.
]]>