工程光學(xué)綜合練習(xí)題

綜合訓(xùn)練二（測控、信息、電科、光科專業(yè)合用）一、題目：典型光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算與分析二、目的：1）課程知識的綜合運(yùn)用：綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的抱負(fù)光學(xué)系統(tǒng)理論、光束限制理論和像差理論，進(jìn)行實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算，為光學(xué)設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。2）促進(jìn)協(xié)助和自學(xué)能力的提高：通過小組共同研究，促進(jìn)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)助精神的培養(yǎng)。同時培養(yǎng)學(xué)生查閱資料及自學(xué)能力。三、內(nèi)容外形尺寸計算，是指根據(jù)使用規(guī)定擬定光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計過程，其重要內(nèi)容涉及：擬定系統(tǒng)的孔徑、視場、分辨率以及光組構(gòu)成和光束限制情況；擬定各光組的光學(xué)特性（焦距、放大倍率等）及幾何關(guān)系（軸向位置、通光孔徑等）；畫出完整的系統(tǒng)光路圖，標(biāo)示重要參數(shù)予以驗(yàn)證；規(guī)劃成像質(zhì)量、視場、孔徑的權(quán)重。本次綜合練習(xí)規(guī)定做到第3步。四、選題方式1）以綜合練習(xí)一擬定的小組為單位選題；2）有愛好做光學(xué)設(shè)計的小組先選（第7題和第15題）；3）剩下的小組，由小組長抽簽選擇其余13題。五、規(guī)定1）根據(jù)規(guī)定畫出系統(tǒng)光路圖，標(biāo)記系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光束限制和成像典型光線。2）設(shè)計思緒、分析環(huán)節(jié)和設(shè)計過程齊全，設(shè)計合理，結(jié)果可靠。3）第11教學(xué)周布置任務(wù)，完畢選題和資料查找工作；5）第12教學(xué)周完畢抱負(fù)參數(shù)計算；6）第13教學(xué)周完畢各光組的選型及初步計算；7）第14教學(xué)周完畢整體的外形尺寸計算；（網(wǎng)上提交）8）第15教學(xué)周根據(jù)反饋完善，周末網(wǎng)上提交提交電子最終版，同時上交紙版。六、成績評估根據(jù)設(shè)計綜合情況，以百分制給分。

附：設(shè)計題目練習(xí)題一開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡樸的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率Γ=-10X，視場角2ω=2?，出瞳直徑D'=5mm，出瞳距l(xiāng)z'=11.25mm；另有一對稱式雙透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，兩透鏡之間的距離為60mm，插入上述望遠(yuǎn)鏡光路中將筒長拉長180mm。請計算組合系統(tǒng)的外形尺寸（涉及物鏡、場鏡、轉(zhuǎn)像透鏡、目鏡的焦距、位置、通光孔徑以及系統(tǒng)的光束限制情況等）。（提醒：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距和焦距有如下近似關(guān)系：；前工作距。）練習(xí)題二開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡樸的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率Γ=-8X，視場角2ω=4?，出瞳直徑D'=5mm，目鏡焦距f2'=25mm；另有一對稱式雙透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，兩透鏡之間的距離為80mm，插入上述望遠(yuǎn)鏡光路中將筒長拉長240mm。請計算組合系統(tǒng)的外形尺寸（涉及物鏡、場鏡、轉(zhuǎn)像透鏡、目鏡的焦距、位置、通光孔徑以及系統(tǒng)的光束限制情況等）。（提醒：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距和焦距有如下近似關(guān)系：；前工作距。）練習(xí)題三開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡樸的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率Γ=-6X，視場角2ω=6?，出瞳直徑D'=6mm，機(jī)械筒長L=168mm；另有一對稱式雙透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，兩透鏡之間的距離為50mm，插入上述望遠(yuǎn)鏡光路中將筒長拉長150mm。請計算組合系統(tǒng)的外形尺寸（涉及物鏡、場鏡、轉(zhuǎn)像透鏡、目鏡的焦距、位置、通光孔徑以及系統(tǒng)的光束限制情況等）。（提醒：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距和焦距有如下近似關(guān)系：；前工作距。）練習(xí)題四背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測量和航空測量儀器中。由于它采用了負(fù)目鏡，所以它具有結(jié)構(gòu)簡樸、筒長短、正像和光能損失少的優(yōu)點(diǎn)。但它沒有中間實(shí)像面，不能安放分劃板做瞄準(zhǔn)測量用，而重要用在觀測系統(tǒng)中。提醒：在外形尺寸計算時，必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個系統(tǒng)的孔徑光闌和出射光瞳。物鏡框是漸暈光闌和入射窗，因此有較大的漸暈。一般選用單組雙膠合透鏡作為物鏡，其相對孔徑一般取1:4~1:3。規(guī)定：已知的條件涉及：視覺放大率Γ=3X，相對孔徑取1:3，出瞳直徑D'=4mm，物鏡通光孔徑Do=30mm，出瞳距l(xiāng)z'=10mm。請計算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸，涉及：(1)物鏡、目鏡焦距、；(2)入瞳距；(3)入瞳直徑；(4)無漸暈時物方和像方視場角、；(5)目鏡的通光孔徑。練習(xí)題五背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測量和航空測量儀器中。由于它采用了負(fù)目鏡，所以它具有結(jié)構(gòu)簡樸、筒長短、正像和光能損失少的優(yōu)點(diǎn)。但它沒有中間實(shí)像面，不能安放分劃板做瞄準(zhǔn)測量用，而重要用在觀測系統(tǒng)中。提醒：在外形尺寸計算時，必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個系統(tǒng)的孔徑光闌和出射光瞳。物鏡框是漸暈光闌和入射窗，因此有較大的漸暈。一般選用單組雙膠合透鏡作為物鏡，其相對孔徑一般取1:4~1:3。規(guī)定：已知的條件涉及：物鏡焦距fo'=100mm，目鏡焦距fe'=-25mm，相對孔徑取1:3，出瞳直徑D'=4mm，出瞳距l(xiāng)z'=10mm。請計算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸，涉及：(1)視覺放大率；(2)物鏡通光孔徑；(3)入瞳距；(4)入瞳直徑；(5)50%漸暈時物方和像方視場角、；(6)目鏡的通光孔徑。練習(xí)題六背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測量和航空測量儀器中。由于它采用了負(fù)目鏡，所以它具有結(jié)構(gòu)簡樸、筒長短、正像和光能損失少的優(yōu)點(diǎn)。但它沒有中間實(shí)像面，不能安放分劃板做瞄準(zhǔn)測量用，而重要用在觀測系統(tǒng)中。提醒：在外形尺寸計算時，必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個系統(tǒng)的孔徑光闌和出射光瞳。物鏡框是漸暈光闌和入射窗，因此有較大的漸暈。一般選用單組雙膠合透鏡作為物鏡，其相對孔徑一般取1:4~1:3。規(guī)定：已知的條件涉及：視覺放大率，相對孔徑取1:4，出瞳直徑，物鏡通光孔徑Do=30mm，出瞳距l(xiāng)z'=10mm。請計算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸，涉及：(1)物鏡、目鏡焦距、；(2)入瞳距；(3)入瞳直徑；(4)完全漸暈時物方和像方視場角、；(5)目鏡的通光孔徑。練習(xí)題七背景：反射式望遠(yuǎn)鏡與折射式望遠(yuǎn)鏡相比沒有色差、光路折疊并且可以做到更大的通光孔徑，因此在天文領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，牛頓式望遠(yuǎn)鏡的主鏡通常做成拋物面反射鏡，次鏡則為45?放置平面反射鏡，可以很好地校正軸上點(diǎn)像差，但軸外像差比較大。規(guī)定：請設(shè)計一牛頓式望遠(yuǎn)鏡，物鏡焦距1000mm，相對孔徑F8，視場角2ω=1?；目鏡選用凱涅爾型，出瞳直徑D'=5mm。請計算系統(tǒng)外形尺寸并將數(shù)據(jù)輸入CodeV或Zemax等光學(xué)軟件驗(yàn)證優(yōu)化，分析其重要像差特點(diǎn)。（提醒：安排主鏡、次鏡及目鏡位置時應(yīng)考慮盡量減小遮擋比；為提高軸外像質(zhì)可將次鏡改善為簡樸非球面。）練習(xí)題八一個生物顯微鏡，放大率分辨率小于1m，共軛距，請進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計算。規(guī)定:選用阿米西型物鏡和惠更斯目鏡，合理分派物鏡和目鏡的放大倍率并選擇合適的鏡頭參數(shù)；要計算物鏡和目鏡的焦距；要計算并標(biāo)出物鏡和目鏡的線視場；要計算并標(biāo)出顯微系統(tǒng)的出瞳位置及口徑；要計算顯微鏡的景深；計算物鏡和目鏡（涉及場鏡和接目鏡）的通光口徑；給出清楚的設(shè)計環(huán)節(jié)，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計算的各部件的位置及尺寸。（提醒：分辨率按瑞利判斷，波長按D光波長計算；鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”。）練習(xí)題九一個生物顯微鏡，放大率分辨率小于1m，共軛距，請進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計算。規(guī)定:選用阿米西型物鏡和冉斯登目鏡，合理分派物鏡和目鏡的放大倍率并選擇合適的鏡頭參數(shù)；要計算物鏡和目鏡的焦距；要計算并標(biāo)出物鏡和目鏡的線視場；要計算并標(biāo)出顯微系統(tǒng)的出瞳位置及口徑；要計算顯微鏡的景深；計算物鏡和目鏡（涉及場鏡和接目鏡）的通光口徑；給出清楚的設(shè)計環(huán)節(jié)，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計算的各部件的位置及尺寸。（提醒：分辨率按瑞利判斷，波長按D光波長計算；鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”。）練習(xí)題十讀數(shù)顯微鏡目鏡的前焦面上放置有兩塊分劃板，一塊是固定的，上面有10個刻度，其總長等于1mm長的物被物鏡放大倍后的長度，即分劃刻度值為0.1mm。另一塊分劃板上面刻有十字刻線并與螺距為1mm的測微螺桿聯(lián)動，測微螺桿鼓輪上刻有100個刻度，螺桿轉(zhuǎn)動一周與之相連的分劃板移動一個刻度，即鼓輪上一個刻度相稱于1m。已知該測量顯微鏡的共軛距L=195mm。請按如下規(guī)定對該顯微鏡進(jìn)行外形尺寸:分別計算物鏡和目鏡的放大倍率和焦距；計算顯微鏡的總放大率；選用里斯特物鏡和無畸變目鏡，選擇合適的鏡頭參數(shù)；計算物鏡、孔闌、目鏡（涉及場鏡和接目鏡）、出瞳的口徑及出瞳距；給出清楚的設(shè)計環(huán)節(jié)，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計算的各部件的位置及尺寸。（提醒：人眼的極限分辯角鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”。）練習(xí)題十一背景：萬能工具顯微鏡通過瞄準(zhǔn)工件輪廓實(shí)現(xiàn)測量，屬于瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng)。規(guī)定：設(shè)計一萬工顯，工件大小為6mm，工作距50mm，視覺放大率Γ=-30X，瞄準(zhǔn)精度δ=0.5μm；照明光源為20mm*20mm面光源，采用柯拉照明方式。請計算該系統(tǒng)的外形尺寸，涉及各元件焦距、位置、通光孔徑、各部件的放大倍率以及系統(tǒng)的光束限制情況等。給出清楚的設(shè)計環(huán)節(jié)，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計算的各部件的位置及尺寸。（提醒：用米字型虛線瞄準(zhǔn)被測件輪廓時，眼睛的瞄準(zhǔn)精度為α=20"；測量顯微鏡必須是物方遠(yuǎn)心光路，其照明系統(tǒng)則為像方遠(yuǎn)心光路；測量顯微鏡選用Γ=300NA關(guān)系；鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”。）練習(xí)題十二一投影系統(tǒng)，所用膠片尺寸為，屏幕尺寸為，投影物鏡到屏幕距離，屏幕照度大于，光源亮度，光源尺寸，投影系統(tǒng)光能透過率為0.5，請進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計算。規(guī)定:投影物鏡采用天塞型物鏡，請設(shè)計選擇合適的鏡頭；要計算并標(biāo)出投影物鏡入瞳，出瞳，像方主點(diǎn)，像方焦點(diǎn)，物方主點(diǎn)和物方焦點(diǎn)的位置；要給出投影物鏡的視場角；照明系統(tǒng)采用兩片平凸透鏡組成、凸面相對的結(jié)構(gòu)作為聚光鏡，（每片透鏡厚度10mm，透鏡間距0.5mm）；照明方式為柯拉照明方式；要給出聚光鏡的孔徑角，聚光鏡的通光口徑（聚光鏡的最后一面距膠片的距離取為10mm，聚光鏡像方主面距聚光鏡的最后一面的距離為-8mm）；要標(biāo)出光源的位置；需繪制圖顯示所計算的各部分尺寸；（提醒：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式，;b.光瞳放大率，為出瞳直徑，為入瞳直徑；c.鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”;d.注意投影鏡頭是照相物鏡倒置使用）練習(xí)題十三一電影放映系統(tǒng)，放映放大率，膠片尺寸為，投影物鏡到屏幕距離，屏幕照度大于，光源尺寸，請進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計算。規(guī)定:放影物鏡采用匹茲萬（或稱匹茲伐爾型）型物鏡，請設(shè)計選擇合適的鏡頭（相對孔徑≥1：2）；要計算并標(biāo)出放影物鏡入瞳，出瞳，像方主點(diǎn)，像方焦點(diǎn)，物方主點(diǎn)和物方焦點(diǎn)的位置；要給出放影物鏡的視場角；要給出光源所需亮度（系統(tǒng)光能透過率取成0.5）；照明系統(tǒng)采用球面反射鏡作為聚光鏡；照明方式為臨界照明方式；要給出聚光鏡的孔徑角，聚光鏡的通光口徑；要標(biāo)出光源的位置；需繪制圖顯示所計算的各部分尺寸；（提醒：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式，;b.光瞳放大率，為出瞳直徑，為入瞳直徑；c.鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”；d.注意投影鏡頭是照相物鏡倒置使用）練習(xí)題十四一投影系統(tǒng)，投影放大率，所用膠片尺寸為，投影物鏡到屏幕距離，屏幕照度大于，光源尺寸，投影系統(tǒng)光能透過率為0.5，請進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計算。規(guī)定:投影物鏡采用相對孔徑1：3左右的雙高斯物鏡，請設(shè)計選擇合適的鏡頭；要計算并標(biāo)出投影物鏡入瞳，出瞳，像方主點(diǎn)，像方焦點(diǎn)，物方主點(diǎn)和物方焦點(diǎn)的位置；要給出投影物鏡的視場角；要給出光源所需亮度；照明系統(tǒng)采用兩片平凸透鏡組成、凸面相對的結(jié)構(gòu)作為聚光鏡，（每片透鏡厚度15mm，透鏡間距0.5mm）；照明方式為柯拉照明方式；要給出聚光鏡的孔徑角，聚光鏡的通光口徑（聚光鏡的最后一面距膠片的距離取為10mm，聚光鏡像方主面距聚光鏡的最后一面的距離為-8mm）；要標(biāo)出光源的位置；需繪制圖顯示所計算的各部分尺寸；（提醒：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式，;b.光瞳放大率，為出瞳直徑，為入瞳直徑；c.鏡頭參數(shù)選取參考“李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社，1990”；d.注意投影鏡頭是照相物鏡倒置使用）練習(xí)題十五背景：醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡的種類很多，其中硬管鏡是指將物鏡所成的像通過一組或多組共軸的透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)中繼出來，然后將較小的像面放大到CCD靶面上獲取圖像，或者直接通過目鏡觀測。其中前端的物鏡和轉(zhuǎn)像系統(tǒng)部分規(guī)定口徑越小越好，以減小對人體的創(chuàng)傷，而后面的圖像放大系統(tǒng)或目鏡則可以適當(dāng)增大。規(guī)定：請設(shè)計一硬管鏡成像光學(xué)系統(tǒng)，需滿足（1）物鏡視場角90?，相對孔徑1