工程光學(xué)綜合練習(xí)題

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1、綜合訓(xùn)練二 （測(cè)控、信息、電科、光科專業(yè)適用） 一、題目： 典型光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算與分析 二、目的： 1）課程知識(shí)的綜合運(yùn)用：綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的理想光學(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(jì)算， 為光學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算，是指根據(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(jì)過程， 其主要內(nèi)容包括： 1） 確定系統(tǒng)的孔徑、視場、分辨率以及光組構(gòu)成和光束限制情況； 2） 確定各光組的光學(xué)特性（焦距、放大倍率等）及幾何關(guān)

2、系（軸向位置、 通光孔徑等）； 3） 畫出完整的系統(tǒng)光路圖，標(biāo)示主要參數(shù)予以驗(yàn)證； 4） 規(guī)劃成像質(zhì)量、視場、孔徑的權(quán)重。 本次綜合練習(xí)要求做到第 3 步。 四、選題方式 1）以綜合練習(xí)一確定的小組為單位選題； 2）有興趣做光學(xué)設(shè)計(jì)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、要求 1）根據(jù)要求畫出系統(tǒng)光路圖，標(biāo)識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光束限制和成像典型光線。 2）設(shè)計(jì)思路、分析步驟和設(shè)計(jì)過程齊全，設(shè)計(jì)合理，結(jié)果可靠。 3）第 11 教學(xué)周布置任務(wù)，完成選題和資料查找工作； 5）第 12 教學(xué)周完成理想?yún)?shù)計(jì)算； 6）第 13 教學(xué)周完

3、成各光組的選型及初步計(jì)算； 7）第 14 教學(xué)周完成整體的外形尺寸計(jì)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(shí)上交紙 版。 六、成績?cè)u(píng)定 根據(jù)設(shè)計(jì)綜合情況，以百分制給分。 附：設(shè)計(jì)題目 練習(xí)題一 開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡單的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率r=-10X，視場角2^=2?, 出瞳直徑D=5mm，出瞳距l(xiāng)z=11.25mm；另有一對(duì)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(qǐng)計(jì)算組 合系統(tǒng)的外形尺寸（包括物鏡、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）

4、。 （提示：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距 #2和焦距f2有如下近似關(guān)系： lF2 0.35f2 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。） 練習(xí)題二 開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡單的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率 r=-8X，視場角2併4?, 出瞳直徑D=5mm，目鏡焦距f2=25mm；另有一對(duì)稱式雙透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，兩透鏡 之間的距離為80m m，插入上述望遠(yuǎn)鏡光路中將筒長拉長 240mm。請(qǐng)計(jì)算組合 系統(tǒng)的外形尺寸（包括物鏡、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）。 （提示：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距 If2和焦距f2有如下近似關(guān)系： lF2 : 0.35f2

5、 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。） 練習(xí)題三 開普勒望遠(yuǎn)鏡是最簡單的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，已知視覺放大率 r=-6X，視場角2併6?, 出瞳直徑D=6mm，機(jī)械筒長L=168mm；另有一對(duì)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(qǐng)計(jì)算組 合系統(tǒng)的外形尺寸(包括物鏡、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)。 (提示：目鏡可選用凱涅爾型，其后工作距 lF2和焦距f2有如下近似關(guān)系： lF2 0.35f2 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。) 練習(xí)題四 背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測(cè)量和航空測(cè)量儀器中

6、。由于它采用了負(fù)目鏡， 所以它具有結(jié)構(gòu)簡單、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(cè)量用，而主要用在觀察系統(tǒng)中。 提示：在外形尺寸計(jì)算時(shí),必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個(gè)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(duì)孔徑一般取 1:4~1:3。 要求：已知的條件包括:視覺放大率I=3X，相對(duì)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(qǐng)計(jì)算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸， 包括： ⑴物鏡、目鏡焦距f。、fe; ⑵入瞳距l(xiāng)z ; ⑶入瞳直徑D;

7、 (4) 無漸暈時(shí)物方和像方視場角収=100% 、3、100% ； (5) 目鏡的通光孔徑De。 練習(xí)題五 背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測(cè)量和航空測(cè)量儀器中。由于它采用了負(fù)目鏡， 所以它具有結(jié)構(gòu)簡單、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(cè)量用，而主要用在觀察系統(tǒng)中。 提示：在外形尺寸計(jì)算時(shí)，必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個(gè)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(duì)孔徑一般取 1:4~1:3。 要求：已知的條件包括：物鏡焦距 fo=100mm，目鏡焦距fe=-25mm，相對(duì)

8、孔徑 取1:3,出瞳直徑D=4mm，出瞳距l(xiāng)z=10mm。請(qǐng)計(jì)算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸， 包括： (1) 視覺放大率r ； (2) 物鏡通光孔徑Do; ⑶入瞳距l(xiāng)z ； ⑷入瞳直徑D ； (5) 50%漸暈時(shí)物方和像方視場角 ％=50%、3k= 50% ； (6) 目鏡的通光孔徑De。 練習(xí)題六 背景：伽利略望遠(yuǎn)鏡常用在大地測(cè)量和航空測(cè)量儀器中。由于它采用了負(fù)目鏡， 所以它具有結(jié)構(gòu)簡單、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(cè)量用，而主要用在觀察系統(tǒng)中。 提示：在外形尺寸計(jì)算時(shí),必須把眼睛作為孔徑光闌來考慮，它是整個(gè)系統(tǒng)的孔 徑光闌和出射

9、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(duì)孔徑一般取 1:4~1:3。 要求：已知的條件包括:視覺放大率r=6，相對(duì)孔徑取1:4,出瞳直徑D=4mm， 物鏡通光孔徑Do=30mm，出瞳距l(xiāng)z=10mm。請(qǐng)計(jì)算伽利略望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸， 包括： (1) 物鏡、目鏡焦距f。、fe； ⑵入瞳距l(xiāng)z ； ⑶入瞳直徑D ; （4） 完全漸暈時(shí)物方和像方視場角敕0%、山% ； （5） 目鏡的通光孔徑De。 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、 光路折疊而且可以做到更大 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

10、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。 要求：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一牛頓式望遠(yuǎn)鏡,物鏡焦距1000mm，相對(duì)孔徑F8,視場角2併1? 目鏡選用凱涅爾型，出瞳直徑D=5mm。請(qǐng)計(jì)算系統(tǒng)外形尺寸并將數(shù)據(jù)輸入 Code V或Zemax等光學(xué)軟件驗(yàn)證優(yōu)化，分析其主要像差特點(diǎn)。 （提示：安排主鏡、次鏡及目鏡位置時(shí)應(yīng)考慮盡量減小遮擋比； 為提高軸外像質(zhì) 可將次鏡改進(jìn)為簡單非球面。） 練習(xí)題八 一個(gè)生物顯微鏡，放大率r=250x，分辨率小于1^m，共軛距L=195mm ,，請(qǐng)進(jìn) 行系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算。要求： 1） 選用阿米西型物鏡和惠更斯

11、目鏡， 合理分配物鏡和目鏡的放大倍率并選擇合 適的鏡頭參數(shù)； 2） 要計(jì)算物鏡和目鏡的焦距； 3） 要計(jì)算并標(biāo)出物鏡和目鏡的線視場； 4） 要計(jì)算并標(biāo)出顯微系統(tǒng)的出瞳位置及口徑； 5） 要計(jì)算顯微鏡的景深； 6） 計(jì)算物鏡和目鏡（包括場鏡和接目鏡）的通光口徑； 7） 給出清晰的設(shè)計(jì)步驟，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計(jì)算的各部件的位置及尺寸。 （提示：分辨率按瑞利判斷，波長按 D光波長計(jì)算；鏡頭參數(shù)選取參考 李 士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：北京理工大學(xué)出版社， 1990”） 練習(xí)題九 一個(gè)生物顯微鏡，放大率r=300x,分辨率小于14m,共軛距L=195mm ,，請(qǐng)進(jìn) 行系統(tǒng)外形尺

12、寸計(jì)算。要求： 1） 選用阿米西型物鏡和冉斯登目鏡， 合理分配物鏡和目鏡的放大倍率并選擇合 適的鏡頭參數(shù)； 2） 要計(jì)算物鏡和目鏡的焦距； 3） 要計(jì)算并標(biāo)出物鏡和目鏡的線視場； 4） 要計(jì)算并標(biāo)出顯微系統(tǒng)的出瞳位置及口徑； 5） 要計(jì)算顯微鏡的景深； 6） 計(jì)算物鏡和目鏡（包括場鏡和接目鏡）的通光口徑； 7） 給出清晰的設(shè)計(jì)步驟，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計(jì)算的各部件的位置及尺寸。 （提示：分辨率按瑞利判斷，波長按 D光波長計(jì)算；鏡頭參數(shù)選取參考 李 士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，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

13、定的，上面有 10個(gè)刻 度，其總長等于1mm長的物被物鏡放大"咅后的長度，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(cè)微螺桿聯(lián)動(dòng)，測(cè)微螺桿鼓 輪上刻有100個(gè)刻度，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周與之相連的分劃板移動(dòng)一個(gè)刻度， 即鼓輪上 一個(gè)刻度相當(dāng)于1畑。已知該測(cè)量顯微鏡的共軛距 L=195mm。請(qǐng)按如下要求對(duì) 該顯微鏡進(jìn)行外形尺寸： 1） 分別計(jì)算物鏡和目鏡的放大倍率和焦距； 2） 計(jì)算顯微鏡的總放大率-； 3） 選用里斯特物鏡和無畸變目鏡，選擇合適的鏡頭參數(shù)； 4） 計(jì)算物鏡、孔闌、目鏡（包括場鏡和接目鏡）、出瞳的口徑及出瞳距； 5） 給出清晰的設(shè)計(jì)步驟，用

14、規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計(jì)算的各部件的位置及尺寸。 （提示：人眼的極限分辯角 ；=603 10-4rad鏡頭參數(shù)選取參考 李士賢, 鄭樂年，光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(cè)量，屬于瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng) 要求：設(shè)計(jì)一萬工顯，工件大小為 6mm，工作距50mm,視覺放大率 r二30X, 瞄準(zhǔn)精度S =0.5卩；照明光源為20mm*20mm面光源，采用柯拉照明方式。請(qǐng)計(jì) 算該系統(tǒng)的外形尺寸，包括各元件焦距、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。給出清晰的設(shè)計(jì)步驟，用規(guī)范的繪圖標(biāo)示所計(jì)算的各 部件的位置及尺寸。

15、 （提示：用米字型虛線瞄準(zhǔn)被測(cè)件輪廓時(shí)，眼睛的瞄準(zhǔn)精度為 a =20;測(cè)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(cè)量顯微鏡選用 r =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(jì)手冊(cè)，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b h = 24 36mm,屏幕尺寸為b h = 1.3 2m， 投影物鏡到屏幕距離I八=16m,屏幕照度大于100lx ，光源亮度1.8 107cd / m， 光源尺寸10 10mm投影系統(tǒng)光能透過率為0.5，請(qǐng)進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算。要 求： [1] 投影物鏡采用天塞型物鏡，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)選擇合適的

16、鏡頭； [2] 要計(jì)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； [3] 要給出投影物鏡的視場角； [4] 照明系統(tǒng)采用兩片平凸透鏡組成、凸面相對(duì)的結(jié)構(gòu)作為聚光鏡， （每片透鏡 厚度10mm，透鏡間距0.5mm）； ⑸照明方式為柯拉照明方式； ⑹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）； [7] 要標(biāo)出光源的位置； [8] 需繪制圖顯示所計(jì)算的各部分尺寸； （提示：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式， sin U = ：s in U ;

17、b.光瞳放大率、二,d ?為出瞳直徑，D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(jì)手冊(cè)，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- --120，膠片尺寸為b h = 18 24mm,投影 物鏡到屏幕距離l = 20m，屏幕照度大于200lx，光源尺寸10 10mm,請(qǐng)進(jìn)行 系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算。要求： [1] 放影物鏡采用匹茲萬（或稱匹茲伐爾型）型物鏡，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)選擇合適的鏡頭（相 對(duì)孔徑》1 2）； [2] 要計(jì)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； [3

18、] 要給出放影物鏡的視場角； [4] 要給出光源所需亮度（系統(tǒng)光能透過率取成 0.5）； ⑸照明系統(tǒng)采用球面反射鏡作為聚光鏡； ⑹ 照明方式為臨界照明方式； [7] 要給出聚光鏡的孔徑角，聚光鏡的通光口徑； [8] 要標(biāo)出光源的位置； [9] 需繪制圖顯示所計(jì)算的各部分尺寸； （提示：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式， sin U = sin U ; b.光瞳放大率■-z二D ，D ■為出瞳直徑，D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(jì)手冊(cè)，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

19、投影系統(tǒng)，投影放大率- --10，所用膠片尺寸為b h = 60 60mm,投影 物鏡到屏幕距離I ?= 1100 mm,屏幕照度大于100lx，光源尺寸20 20mm,投影 系統(tǒng)光能透過率為0.5,請(qǐng)進(jìn)行系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算。要求： [1] 投影物鏡采用相對(duì)孔徑1： 3左右的雙高斯物鏡，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)選擇合適的鏡頭； [2] 要計(jì)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； [3] 要給出投影物鏡的視場角； [4] 要給出光源所需亮度； ⑸照明系統(tǒng)采用兩片平凸透鏡組成、凸面相對(duì)的結(jié)構(gòu)作為聚光鏡， （每片透鏡 厚度15mm，透鏡間距0.5mm）; ⑹照明方式

20、為柯拉照明方式； [7] 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）； [8] 要標(biāo)出光源的位置； [9] 需繪制圖顯示所計(jì)算的各部分尺寸； （提示：a.聚光鏡大光束物像孔徑關(guān)系采用弧矢不變量公式， sin U = ：s in U ; b.光瞳放大率：z =Dd，D ?為出瞳直徑，D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(jì)手冊(cè)，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

21、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察。其中前端的物鏡和轉(zhuǎn)像系統(tǒng)部分要求口徑越小越好， 以 減小對(duì)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。 要求：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一硬管鏡成像光學(xué)系統(tǒng)，需滿足（1）物鏡視場角90?,相對(duì)孔徑 1:4; （2）物鏡加轉(zhuǎn)鏡總長220mm，口徑小于4mm （去掉機(jī)械遮擋，通光孔徑小 于3.6mm）;（3）采用1/2英寸CCD獲取圖像。請(qǐng)計(jì)算物鏡、轉(zhuǎn)鏡、放大系統(tǒng)的 基本參數(shù)，選擇初始結(jié)構(gòu)形式，并將數(shù)據(jù)輸入Code V或Zemax等光學(xué)軟件優(yōu)化、 驗(yàn)證。 （提示：物鏡需采用像方遠(yuǎn)心光路, 轉(zhuǎn)鏡采用對(duì)稱形式遠(yuǎn)心光路且通過計(jì)算選取 最少的轉(zhuǎn)鏡組） 參考書： 1. 郁道銀，談恒英，工程光學(xué)（第 3版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011 2. 張以謨，應(yīng)用光學(xué)（第3版），北京：電子工業(yè)出版社，2008 1990 3. 李士賢，鄭樂年，光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：北京理工大學(xué)出版社,