光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算ppt課件

1、第四章 光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算,1,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。,-2-,-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,-3-,-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

2、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,-4-,-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)。,-5-,-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),-6-,-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

3、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。,-7-,-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1:41:3，一般選擇單負(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。,-8-,-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

4、的計算,-9-,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(jìn)行拼接，再優(yōu)化。,-10-,-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：f1,轉(zhuǎn)像透鏡焦距：f3，f4,目鏡焦距：f5,筒長：L,-11-,-12-,4.2典型光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算,三、具有透

5、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f3，f4;,（5） 計算轉(zhuǎn)向透鏡間距d。,-12-,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,-13-,接目鏡的通光孔徑,

6、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,-14-,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。,-15-,-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

7、知條件：視覺放大率、視場角2、出瞳直徑D、筒長L。,-16-,-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。,-17-,5. 反射棱鏡外形尺寸計算,棱鏡常數(shù),-18-,-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

8、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,-19-,-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(jìn)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。,-20-,-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=0.60.8,已知條件：物鏡焦距 、相對孔徑 、視場角2、儀器軸位

9、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,-21-,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,-22-,-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

10、孔徑確定系統(tǒng)的有效放大率。,-23-,-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,-24-,-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,-25-

11、,-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,-26-,-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1820mm,5. 計算物鏡線視場,-27-,-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,-28-,-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bh、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。,-29-,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