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 изучения параметров. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов, а также микроструктуру объектов. Микроскопы находят широкое применение в медицине, ювелирной промышленности и других областях техники, где необходимо наблюдать и исследовать объекты, невидимые невооружённым глазом. По своему функциональному назначению микроскопы делятся на наблюдательные и измерительные.

Микроскопы бывают: оптические, электронные, рентгеновские, дифференциальные интерференционно-контрастные микроскопы. В данной работе нами проектируется измерительный микроскоп.

Оптическая система микроскопа в основном состоит из — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик.

Цель данного курсового проекта — расчет ОС измерительного микроскопа в соответствии со следующими техническими требованиями:

1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ МИКРОСКОПА При габаритном расчете нужно определить тип объектива и окуляра, которые будут удовлетворять заданным условиям. Располагая данными о параметрах оптических элементов и следуя принципу максимальной унификации элементов разрабатываемого прибора, осуществляем выбор готового окуляра и объектива. Выбор производится по каталогу. Объектив микроскопа обычно представляет собой линзовую систему (несколько линз, в том числе и склеенные), окуляры могут выполняться по схемам Кельнера, Эрфле, Симметричного окуляра, Рамсдена, Гюйгенса и др.

Исходными данными для расчета являются наиболее важные параметры оптической системы микроскопа, к ним относятся: видимое увеличение, диаметр выходного зрачка, положение выходного зрачка, допустимый коэффициент виньетирования наклонного пучка лучей. В результате расчета необходимо получить данные для разработки чертежа оптической системы — конструктивные параметры и марки стекол всех элементов системы, диаметры и положение диафрагм, расстояния между элементами и др.

Задачей габаритного расчёта оптической схемы прибора является:

Обоснование функциональной схемы микроскопа и нахождение рациональной схемы ОС. Определение положения в оптической схеме пластинок, зеркал, призм, а также их размеров.

Определение фокусных расстояний относительных отверстий и полей зрения объектива, окуляра и других компонентов, входящих в систему, и нахождение их взаимного расположения и диаметров.

Обоснование объектива и окуляра. Определение положения зрачков и диафрагм.

1.1 Обоснование функциональной схемы микроскопа Функциональная схема микроскопа, согласно принципам построения таких 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. Функциональная схема микроскопа Расчетная схема (рис.2) может быть получена из функциональной если заменить компоненты конечной толщины условно тонкими. Кроме того на расчетной схеме показаны фокусные расстояния, оптический интервал и другие расстояния.

Рис. 2. Расчетная схема микроскопа

1.2 Обоснование компонентов микроскопа При проектировании микроскопа на первом этапе обосновываем объектив, для этого рассчитываем числовую апертуру:

Тогда из каталога выбираем объектив с подходящей числовой апертурой и длиной тубуса. Этому требованию удовлетворяет объектив М-42,параметры которого приведены в табл.2, а схема показана на рис. 3.

Конструктивные параметры объектива М-42 Таблица 2

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:

? = -?об 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 / -?об. (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 / -?об, (8)

где DПД = 10 мм (см. табл.3).

2ум = 10 / 8 = 1,25 мм.

Определим диаметр апертурной диафрагмы DАД согласно выражению:

DАД = 2? tg? А. (5)

DАД = 2 · 144· tg 1,43? = 7,20 мм.

Выбираем окуляр, для этого находим видимое увеличение и фокусное расстояние f1ок окуляра по формулам:

Гок = -Гм / ?об, (6)

f`ок = 250 / Гок. (7)

Гок = 150 / 8 = 18,75х ,

f `ок = 250 / 18,75 = 13,3 мм.

Из каталога окуляров выбираем окуляр. Вышеуказанным требованиям, наиболее хорошо, удовлетворяет окуляр Гюйгенса, параметры которого занесены в табл. 3, схема представлена на рис. 4.

Конструктивные и оптические параметры окуляра Гюйгенса Таблица 3

Рис. 4. Схема окуляра Гюйгенса Рассчитаем коэффициент подобия по формуле:

К= /=18,75/15=1,25

Учтём коэффициент подобия для пересчета параметров окуляра Гюйгенса, данные представлены в табл.4

Конструктивные и оптические параметры окуляра Гюйгенса Таблица 4

Вычислим диаметр выходного зрачка по формуле:

D/ = DАД z/ / fок. (9)

D/ = 7,2· 6,79 / 31,26 мм = 1,56 мм.

Найденное значение диаметра выходного зрачка удовлетворяет требованию ТЗ, D/ >1 (табл.1).

Вычислим световые диаметры 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.

Диаметры линз объектива рассчитываем по формуле:

(12)

мм, мм.

1.3 Выводы

1) Выполненные расчеты позволили обосновать объектив и окуляр микроскопа, являющиеся основными компонентами.

2) Проведенные расчеты позволили также определить продольные и поперечные размеры ОС микроскопа.

3) Полученные результаты позволяют разработать принципиальную схему микроскопа.

Рис. 5. Принципиальная схема микроскопа

Таблица 4

Конструктивные параметры микроскопа

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ОС ОБЬЕКТИВА НА ЭВМ. РАСЧЕТ ТРАЕКТОРИИ ЛУЧА ЧЕРЕЗ ОС. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

P — число оптических поверхностей

R (I) и DL (I) — радиус кривизны и диаметр 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 — диаметр 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 или координата

— луча в пространстве предметов (при S1=0)

Исходные данные вводить с учетом правила знаков. При этом, если предметная пл-ть расположена 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

Кардинальные злементы ОС:

f'= 18.18 049 мм; s’F'= 5.83 564 мм; sF=-6.7065 мм Увеличения ОС: B=-7.926 961; Bзр= 2.710 878

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'=-43.44 946 мм Диаметр вх-го и вых-го зр-ов: D= 5 мм; D'= 13.55 439 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'= 0.1 109 047 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'=-4.752 703 мм; X’A'= 0 мм;

2.1 Расчет конструктивных параметров На первом этапе рассчитали конструктивные параметры системы, расчет выполняем на ЭВМ, с помощью программы «LUCH-D «, разработанной на кафедре ОЭС. Исходными данными для расчета являются рассчитанные ранее параметры оптической системы.

Рассчитанные на ЭВМ конструктивные параметры объектива представлены в табл.5 Таблица 5

Из таблицы следует, что результаты ручного и машинного расчетов незначительно различаются.

3. ВЫВОДЫ Результатом данного курсового проекта разработан измерительный микроскоп, включающий в себя окуляр Гюйгенса и объектив M-42. Данный микроскоп является прибором для линейных измерений микрообъектов. Значения рассчитанных и полученных на ЭВМ кардинальных элементов не совпадают в следствие того, что имеется погрешность вычислений, не полностью соответствующий тип окуляра для данного микроскопа и др.

1. Бегунов Б. Н и др. Теория оптических систем. — М: Машиностроение, 1981.

2. Гавриленков В. А. Теория и элементная база оптических приборов. 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.