Thiết kế hệ quang cho thị kính góc rộng của máy đo xa Д-49

Vật lý<br /> <br /> <br /> THIÕT kÕ hÖ quang cho thÞ kÝnh gãc réng<br /> cña m¸y ®o xa Д -49<br /> HOÀNG ANH TÚ, TRẦN QUỐC TUẤN, LÊ NGỌC CƯỜNG<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày cơ sở và kết quả tính toán thiết kế hệ thống quang<br /> học cho thị kính góc rộng của máy đo xa Д-49. Hệ quang thị kính được thiết kế dựa<br /> vào nguyên lý hoạt động của thị kính Erfle và các tham số yêu cầu của máy đo xa<br /> Д-49. Kết quả tính toán được kiểm tra và tối ưu hóa bằng phần mềm Zemax.<br /> Từ khóa: Hệ quang, Thị kính góc rộng, Máy đo xa.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Máy đo xa Д-49 thuộc dòng máy đo xa quang học theo nguyên lý lập thể [1]. Hệ thống<br /> quang học của máy gồm nhiều kênh, trong đó, kênh quan sát được kết cấu theo nguyên lý<br /> hệ vô tiêu. Để phục vụ bài toán khôi phục hệ thống quang học cho máy đo xa Д-49, việc<br /> nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tiến hành tính toán thiết kế các cụm chi tiết quang học là cần<br /> thiết. Kênh quan sát của máy có hệ số phóng đại lớn (32 lần), do vậy, cụm thị kính yêu cầu<br /> làm việc ở trường nhìn rộng (khoảng 55 độ). Vì thế, bài toán đạt chất lượng ảnh trên toàn<br /> trường nhìn được đặt ra. Để thỏa mãn yêu cầu này, chúng tôi sử dụng dạng kết cấu Erfle<br /> [3] để thiết kế hệ quang cho thị kính máy đo xa Д-49.<br /> <br /> 2. PHÂN TÍCH CHỌN HỆ QUANG<br /> 2.1. Xác định các thông số cho bài toán thiết kế<br /> Các tham số đặc trưng theo yêu cầu của thị kính cho máy đo xa Д-49 bao gồm [1]: hệ<br /> số phóng đại: G = 32 lần; trường nhìn: 2w = 150'; cự ly đặt mắt: p' = 20mm; đường kính<br /> đồng tử ra: D' = 1,6mm và tiêu cự thị kính f' = 26,86mm. Với các giá trị của hệ số khuếch<br /> đại G và trường nhìn 2w có thể suy ra góc thị giới của thị kính 2w'= 54,2 [3].<br /> Với thị kính có trường nhìn rộng trên, bài toán khử quang sai khá khó khăn, nhất là đối<br /> với những quang sai tỷ lệ thuận với chiều cao của ảnh, như loạn thị và méo ảnh. Tuy<br /> nhiên, do đường kính đồng tử ra nhỏ, nên cầu sai và cầu sắc sai dễ dàng đạt được giá trị<br /> mong muốn [3].<br /> Dưới đây trình bày một vài dạng kết cấu cơ bản của thị kính và đặc điểm của chúng.<br /> Trên cơ sở đó có thể phân tích và lựa chọn kết cấu thích hợp cho máy đo xa Д-49.<br /> 2.2. Các dạng thị kính cơ bản<br /> Thị kính có chức năng đưa ảnh mục tiêu được dựng bởi vật kính ra xa vô cùng để mắt<br /> người dễ dàng quan sát được ảnh này, đồng thời phóng đại ảnh lên nhiều lần tùy thuộc vào<br /> tiêu cự của thị kính. Trong các khí tài quan sát, các dạng thị kính cơ bản sau thường được<br /> sử dụng (hình 1)[2]. Theo sơ đồ quang của thị kính Huygen (hình 1a) có thể thấy rằng<br /> trường nhìn nhỏ (2w= 30) và chất lượng ảnh chỉ tốt ở vùng trên trục [3]. Do đó, thị kính<br /> này được cải tiến bởi Ramsden nhằm nâng cao chất lượng ảnh trên toàn bộ trường nhìn<br /> (hình 1b). Tuy nhiên, thấu kính dạng này vẫn chưa bảo đảm trường nhìn theo yêu cầu. Để<br /> mở rộng trường nhìn lên 45o có thể sử dụng cấu hình thấu kính đối xứng (hình 1c),<br /> Kennhe (hình 1d), thậm chí lên đến (50 90)o có thể sử dụng thấu kính Erfle (hình 1e) hay<br /> góc rất rộng (hình 1f).<br /> <br /> <br /> 124 H. A.Tú, T. Q. Tuấn, L. N. Cường, “Thiết kế hệ quang …trên máy đo xa Д-49.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (e) (f)<br /> Hình 1. Sơ đồ quang của một số thị kính.<br /> Huygen (a); Ramsden (b); đối xứng (c) Kennhe (d); Erfle (e); góc rất rộng (f).<br /> Từ những phân tích về các dạng thị kính ở trên, chúng tôi nhận thấy sơ đồ kết cấu hệ<br /> quang kiểu Erfle (hình 1e) có trường nhìn phù hợp theo yêu cầu và kết cấu đơn giản hơn<br /> (so với kiểu góc rất rộng), do đó, có thể chọn cho máy đo xa Д-49.<br /> 3. THIẾT KẾ HỆ QUANG CỤM THỊ KÍNH VÀ KẾT QUẢ<br /> 3.1. Phương pháp thiết kế và yêu cầu quang sai<br /> Các hệ thống quang thông thường được thiết kế theo phương pháp quang sai bậc 3, tổ<br /> hợp các thành phần đặc biệt (mặt aplanat, ...) hoặc sử dụng các hệ đồng dạng có sẵn. Đối<br /> với máy đo xa Д-49, chỉ có thể sử dụng phương pháp quang sai bậc 3 để thiết kế từ đầu và<br /> phân tích tối ưu theo trình tự thiết kế [4].<br /> Như đã trình bày ở trên, sơ đồ quang học được lựa chọn là sơ đồ kiểu Erfle. Quá trình<br /> thiết kế được thực hiện đựa trên nguyên tắc bảo đảm các tham số đặc trưng của thị kính<br /> máy đo xa Д-49 đã nói ở mục trên. Trong quá trình thiết kế, quang sai của hệ cần bảo đảm<br /> nằm trong giới hạn cho phép [3, 4]: Cầu sai dọc trục  L'CP :<br /> 2<br />  D <br />  L'C P   0  ' <br />  0 , 6 1( m m ) ;<br />  2 f <br /> với U' là góc lớn nhất của tia ló chùm khẩu độ; D là đường kính khẩu độ vào; f' là tiêu cự<br /> thị kính, 0 là bước sóng cơ bản; Méo ảnh trên toàn trường nhìn (10  13)%<br /> 3.2. Lựa chọn cặp vật liệu<br /> Việc các định các tham số đặc trưng của vật liệu chế tạo gặp nhiều khó khăn, cặp vật<br /> liệu thường được dùng hơn cả là sự phối hợp giữa mác thủy tinh Krôn (có hệ số tác sắc K<br /> > 50) và thủy tinh Flin (hệ số tán sắc F < 50). Dựa trên các tính chất và yêu cầu của cụm<br /> thị kính chúng ta có thể sử dụng K8 và TF2.<br /> 3.3. Thiết kế hệ quang và kết quả<br /> Thiết kế hệ quang được thực hiện từ bài toán quang sai bậc 3, tính ra hệ xuất phát. Các<br /> phương trình quang sai bậc 3 đã được trình bày trong các tài liệu [4]. Sau khi có hệ xuất<br /> phát, sử dụng các chương trình thiết kế quang học để tối ưu hóa hệ này đến khi thỏa mãn<br /> các yêu cầu về quang sai. Khi sử dụng chương trình thiết kế, vấn đề có tính chất quyết<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Sè 32, 08 - 2014 125<br />  Vật lý<br /> <br /> định là sử dụng các hàm tối ưu nào và trọng số tương ứng cho các hàm là bao nhiêu. Trong<br /> thiết kế này, các hàm tối ưu được sử dụng là: hàm cầu sai, cô ma, loạn thị và kỳ biến.<br /> Chương trình thiết kế quang học được sử dụng là phần mềm Zemax.<br /> Kết quả nhận được hệ quang cụm thị kính như sau:<br /> Sơ đồ hệ thống quang học được đưa ra trên hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ hệ thống quang học thị kính máy đo xa Д -49.<br /> Dữ liệu hệ thống được nêu trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Dữ liệu hệ thống quang học.<br /> Đường kính<br /> STT Bán kính Độ dày Vật liệu<br /> thông quang<br /> Vật   <br /> 2  20 0,8<br /> 3 -87,74 2,4 LZ-TF2 13<br /> 4 117,14 10,2 LZ-K8 14,5<br /> 5 -18,72 3,1 14,5<br /> 6 77,08 7,2 LZ-K8 15<br /> 7 -149,19 0,3 15<br /> 8 29,46 12 LZ-K8 15<br /> 9 -19,31 2,4 LZ-TF2 15<br /> 10 72,26 12 14<br /> MP ảnh  13,79<br /> - Đồ thị các hàm quang sai được trình bày trên các hình dưới đây:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Đồ thị hàm cầu sai dọc trục. Hình 4. Đồ thị hàm sắc sai.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Đồ thị cong trường, loạn thị và méo ảnh.<br /> <br /> <br /> <br /> 126 H. A.Tú, T. Q. Tuấn, L. N. Cường, “Thiết kế hệ quang …trên máy đo xa Д-49.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ẢNH SAU THIẾT KẾ<br /> Cầu sai dọc trục  L' - theo đồ thị trên hình 3 cho giá trị cầu sai dọc trục nhỏ hơn<br /> 0,1mm. Trong khi đó, cầu sai dọc trục cho phép  L'CP = 0,61(mm), vậy  L' <  L'CP thõa<br /> mãn giá trị cho phép.<br /> Trên hình 5 cho thấy méo ảnh trên toàn trường nhìn nhỏ hơn 5% - nằm trong giới hạn<br /> cho phép trong thiết kế thị kính góc rộng là 10%  13% [3, 4]. Cong trường: ở trường nhìn<br /> lớn nhất có giá trị cong trường khoảng 2mm (hình 5), là thỏa mãn với những hệ thị kính<br /> góc rộng [3, 4] khi tính tới khả năng điều tiết để khử cong trường của mắt người. Sắc sai<br /> theo đồ thị hình 4, giá trị sắc sai đạt được nhỏ hơn giá trị tới hạn nhiễu xạ nhiều lần<br /> (94,66m so với 660m).<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Bài báo trình bày tính toán thiết kế hệ thống quang cho thị kính máy đo xa Đ-49 làm<br /> việc ở trường nhìn rộng. Hệ thống quang học được thiết kế có chất lượng ảnh đáp ứng yêu<br /> cầu trên toàn bộ trường nhìn (55 độ). Thiết kế sử dụng các vật liệu và bộ dưỡng dùng để<br /> gia công quang học sẵn có tại một số cơ sở trong nước, nên có thể sử dụng để gia công hệ<br /> quang cụm thị kính phục vụ công tác sửa chữa, phục hồi máy đo xa Д-49. Thiết kế cũng có<br /> thể sử dụng cho thị kính của một số thiết bị quang học khác yêu cầu trường nhìn rộng như<br /> ống nhòm, kính ngắm tà, phương vị, ... trên cơ sở điều chỉnh một vài tham số kết cấu để<br /> đạt được chất lượng ảnh yêu cầu cho thị kính mới.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1]. Máy đo xa Д-49. Tổng cục Hậu cần.<br /> [2]. Фокус компания. Оптичуские детали. г.Санкт-Петербург. 2002.<br /> [3]. Lê Hải Thoại; Lý thuyết quang sai và thiết kế quang học. Học viện KTQS. 1998.<br /> [4]. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л. Машиностроение. 1975.<br /> [5]. М.М. Русинов; Вычислительная оптика- справочник; СПБ- ИТМО, Санк-<br /> Петербург; 2009.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> DESIGNING OPTICAL SYSTEM FOR THE WIDE-ANGLE<br /> EYEPIECE OF THE RANGEFINDER D-49<br /> <br /> This paper presents the basis and result of the designing optical system for wide-<br /> angle eyepiece of rangefinders Д-49. Designed optical system has Erfle eyepiece<br /> type. Materials are used for design are available in the optical factory Z123, which<br /> will bring advantages and reduced costs for the manufacturing process.<br /> Keywords: Optical system, Wide-angle eyepiece, Rangefinder.<br /> <br /> Nhận bài ngày 3 tháng 12 năm 2013<br /> Hoàn thiện ngày 20 tháng 05 năm 2014<br /> Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 07 năm 2014<br /> <br /> Địa chỉ: Phòng Khí tài Quang học/ Viện Vật lý KT, Điện thoại: 069.516.163<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Sè 32, 08 - 2014 127<br />