光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算.ppt

第四章光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算 2 光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算 根據(jù)使用要求確定光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計過程稱為光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算 外形尺寸計算 系統(tǒng)的組成 各光組的焦距 各光組的相對位置和橫向尺寸 外形尺寸計算的基本要求 系統(tǒng)的孔徑 視場 分辨率 出瞳的直徑和位置 幾何尺寸 即光學(xué)系統(tǒng)的軸向和徑向尺寸 整體結(jié)構(gòu)的布局 成像質(zhì)量 視場和孔徑的權(quán)重 3 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 一 開普勒望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 開普勒望遠(yuǎn)鏡成像原理 4 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 一 開普勒望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 1 物鏡和目鏡焦距的計算 已知條件 視覺放大率 視場角2 出瞳直徑D 筒長L和目鏡焦距 出瞳距三個條件中任選一個 1 已知筒長L 2 給定目鏡焦距 3 給定出瞳距 實際工作中直接從光學(xué)設(shè)計手冊中選擇目鏡 5 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 一 開普勒望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 2 確定入瞳直徑D和選擇物鏡結(jié)構(gòu) 計算出相對孔徑 根據(jù) 和2 選擇物鏡的結(jié)構(gòu) 6 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 一 開普勒望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 3 確定物鏡 視場光闌和目鏡的通光孔徑 1 物鏡通光孔徑 2 視場光闌通光孔徑 3 目鏡通光孔徑 場鏡通光孔徑 接目鏡孔徑的確定 目鏡調(diào)節(jié) 7 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 二 伽利略望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 伽利略望遠(yuǎn)鏡成像原理 伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測量和航空測量儀器中 結(jié)構(gòu)簡單 筒長短 正像和光能損失少 8 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 二 伽利略望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 1 物鏡和目鏡焦距的計算 為了得到盡可能短的筒長和良好的成像質(zhì)量 應(yīng)按物鏡能承擔(dān)的最大相對孔徑來選擇物鏡的焦距 相對孔徑一般不超過1 4 1 3 一般選擇單負(fù)透鏡作為目鏡 2 確定入瞳直徑D 3 確定入瞳距l(xiāng)z 伽利略望遠(yuǎn)鏡的入瞳總是在系統(tǒng)的右邊 9 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 二 伽利略望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計算 4 視場角的計算 無漸暈 50 漸暈 100 漸暈最大視場角 5 視場角的計算 10 實驗 設(shè)計設(shè)計一款望遠(yuǎn)鏡 放大倍率 8倍出瞳距 12mm出瞳直徑 12mm視場角 4 已知 要求 滿足望遠(yuǎn)鏡像差公差要求 提示 計算出望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸 在zemax的LEN中查找合適的物鏡和目鏡進行拼接 再優(yōu)化 11 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 三 具有透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 要求正像和較長的筒長時 一般要用透鏡轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 在實際中應(yīng)用最多的是 1 中間為平行光的兩組雙膠合透鏡系統(tǒng) 優(yōu)點 像質(zhì)好 裝調(diào)容易 物鏡焦距 f 1 轉(zhuǎn)像透鏡焦距 f 3 f 4 目鏡焦距 f 5 筒長 L 12 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 三 具有透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 已知條件 視覺放大率 視場角2 出瞳直徑D 筒長L 出瞳距l(xiāng) z 漸暈系數(shù)K 1 計算目鏡的焦距 選擇目鏡結(jié)構(gòu) 2 計算物鏡的焦距 選擇物鏡結(jié)構(gòu) 3 計算視場光闌孔徑D2 4 計算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的焦距f 3 f 4 5 計算轉(zhuǎn)向透鏡間距d 13 1 計算場鏡的焦距 2 計算各光祖的通光孔徑 1 2 3分別為物鏡 場鏡和轉(zhuǎn)像透鏡的光焦度 d為轉(zhuǎn)像透鏡之間的間隔 1 2 場鏡的通光孔徑D2 視場光闌孔徑 3 轉(zhuǎn)像透鏡的通光孔徑D3 D4視場光闌孔徑 4 目鏡的通光孔徑 物鏡的通光孔徑 14 接目鏡的通光孔徑 目鏡的通光孔徑 把物鏡和第一組轉(zhuǎn)像透鏡看成是一個望遠(yuǎn)系統(tǒng) 主光線高度 四 具有棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 要求正像和較短的筒長時 一般要用棱鏡轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 在計算外形尺寸時 應(yīng)將棱鏡展開成玻璃平行平板 再變換成等效空氣板 根據(jù)通光孔徑計算棱鏡尺寸 16 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 四 具有棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 1 計算物鏡和目鏡的焦距 2 確認(rèn)入瞳直徑和物鏡通光孔徑 物鏡框作為孔徑光闌 3 選擇物鏡和目鏡結(jié)構(gòu) 根據(jù)物鏡的 和2 來選擇物鏡結(jié)構(gòu) 根據(jù) 計算出目鏡視場角 再根據(jù)和2 來選擇目鏡結(jié)構(gòu) 已知條件 視覺放大率 視場角2 出瞳直徑D 筒長L 17 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 四 具有棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 4 計算視場光闌直徑 5 反射棱鏡外形尺寸計算 直角棱鏡 屋脊棱鏡 在不改變光軸方向和主截面內(nèi)成像方向的條件下 增加一次反射 使系統(tǒng)總的反射次數(shù)由奇數(shù)變成偶數(shù) 從而達(dá)到物像相似的要求 18 5 反射棱鏡外形尺寸計算 棱鏡常數(shù) 19 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 5 反射棱鏡外形尺寸計算 四 具有棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計算 為減小棱鏡尺寸 獲得較大的允許制造誤差 棱鏡應(yīng)盡量靠近物鏡的像平面 根據(jù) 計算出棱鏡的輸入面和輸出面的通光孔徑 取其中最大值作為棱鏡的通光孔徑D 帶入公式求出棱鏡尺寸 6 計算出瞳距 7 計算目鏡通光孔徑 20 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 五 內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸計算 物鏡內(nèi)部有一個負(fù)的調(diào)焦鏡組構(gòu)成的復(fù)合物鏡 利用復(fù)鏡組對遠(yuǎn)近不同的物體進行調(diào)焦能使像始終位于一個固定位置 該負(fù)鏡組稱為調(diào)焦鏡 與外調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡相比 具有筒長短 密封性好的優(yōu)點 廣泛應(yīng)用于大地測量儀器中 21 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 五 內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸計算 負(fù)鏡組使筒長顯著減小 縮小比 m 0 6 0 8 已知條件 物鏡焦距 相對孔徑 視場角2 儀器軸位移 縮小比m或筒長L 最近調(diào)焦距離lmin 測距方程 準(zhǔn)距條件 此時 前組到轉(zhuǎn)軸的距離 22 1 前組和調(diào)焦組的焦距與間隔的計算 2 各鏡組的通光孔徑的計算 五 內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸計算 1 前組的通光孔徑D1 2 調(diào)焦組的通光孔徑D2 h上1為上光線在前組上的高度 h上2為上光線在調(diào)焦組上的高度 3 近距離的間隔ds的計算 23 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 六 生物顯微鏡的的外形尺寸計算 用來觀察生物切片 生物細(xì)胞 細(xì)菌以及活體組織培養(yǎng) 流質(zhì)沉淀等的觀察和研究 同時可以觀察其他透明或者半透明物體以及粉末 細(xì)小顆粒等物體 按分辨率要求確定數(shù)值孔徑 按數(shù)值孔徑確定系統(tǒng)的有效放大率 24 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 2 分配物鏡和目鏡的放大率 六 生物顯微鏡的的外形尺寸計算 3 計算物鏡和目鏡的焦距 4 計算顯微鏡的總焦距 1 計算物鏡的數(shù)值孔徑NA 已知條件 分辨率 共軛距L 有效放大率 垂軸放大率 5 計算目鏡的線視場 6 計算物鏡線視場 25 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 六 生物顯微鏡的的外形尺寸計算 7 計算出瞳距 8 計算顯微鏡的景深 9 計算物鏡通光孔徑 物鏡框為孔徑光闌 孔徑光闌在物鏡后焦面上 10 計算目鏡通光孔徑 目鏡場鏡的通光孔徑D2 接目鏡的通光孔徑D3 26 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 七 讀數(shù)顯微鏡的的外形尺寸計算 數(shù)值孔徑小 放大倍數(shù)低 放大倍數(shù)要求準(zhǔn)確 物鏡應(yīng)選用遠(yuǎn)心光路 已知條件 讀數(shù)精度 共軛距L 27 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 七 讀數(shù)顯微鏡的的外形尺寸計算 1 計算物鏡的放大倍率和焦距 t 螺桿的螺距 i 刻度值 n 鼓輪的刻度數(shù) 2 計算目鏡的放大倍率和焦距 3 計算物鏡的數(shù)值孔徑NA 4 計算分劃板的直徑 分劃板的直徑由目鏡物方線視場決定 一般為18 20mm 5 計算物鏡線視場 28 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 七 讀數(shù)顯微鏡的的外形尺寸計算 6 計算出瞳距 7 計算出瞳直徑 9 計算孔徑光闌的通光孔徑 8 計算物鏡通光孔徑 10 計算目鏡的通光孔徑 目鏡場鏡的通光孔徑D3 接目鏡的通光孔徑D4 29 4 2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算 八 投影系統(tǒng)的的外形尺寸計算 投影系統(tǒng)的外形尺寸計算 主要是計算投影物鏡和照明系統(tǒng)的光學(xué)特性和外形尺寸 使屏幕得到足夠的像面照度 還必須選擇好光源 計算系統(tǒng)的光能量 已知條件 膠片尺寸b h 屏幕尺寸b h 或放大率 物鏡到投影屏的距離l 像面照度E 有時給出光源類型 1 確定投影物鏡的光學(xué)特性 1 物鏡放大倍率 2 投影物鏡焦距f 3 物鏡前焦點到膠片的距離 4 物鏡視場角 5 物鏡相對孔徑 E 0中心視場照度 31 4 2典