光学系统外形尺寸计算课件.ppt

1、1ppt课件课件光学系统的外形尺寸计算光学系统的外形尺寸计算根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。称为光学系统的外形尺寸计算。外形尺寸计算外形尺寸计算系统的组成系统的组成各光组的焦距各光组的焦距各光组的相对位置和横向尺寸各光组的相对位置和横向尺寸外形尺寸计算的基本要求外形尺寸计算的基本要求系统的孔径、视场、分辨率、出瞳的直径和位置；系统的孔径、视场、分辨率、出瞳的直径和位置；几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局；的布局；成像质量、视场和孔径的权重。成像

2、质量、视场和孔径的权重。-2-3-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算开普勒望远镜成像原理开普勒望远镜成像原理-3-4-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算1.物镜和目镜焦距的计算物镜和目镜焦距的计算21ffL21ff11Lf12Lf 已知条件：视觉放大率已知条件：视觉放大率、视场角、视场角2、出瞳直径、出瞳直径D，筒长，筒长L和目镜焦距和目镜焦距 、出瞳距、出瞳距 三个条件中任选三个条件中任选一个。一个。2f zl1）已知筒长）已知筒长L2）给定

3、目镜焦距）给定目镜焦距2f 21ff-3）给定出瞳距）给定出瞳距zltantanzzzFxxll22实际工作中直接实际工作中直接从光学设计手册从光学设计手册中选择目镜中选择目镜-4-5-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算2.确定入瞳直径确定入瞳直径D和选择物镜结构和选择物镜结构DD1fD/计算出相对孔径：计算出相对孔径：1f 根据根据1fD/和和2 选择物镜的结构。选择物镜的结构。-5-6-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算一、开普勒望远镜外形尺寸计算3.确定物镜、视场光

4、阑和目镜的通光孔径确定物镜、视场光阑和目镜的通光孔径1）物镜通光孔径）物镜通光孔径1122mlDztan2）视场光阑通光孔径）视场光阑通光孔径tan-122 fD3）目镜通光孔径）目镜通光孔径11111322222flmffllflDFzFztantan场镜通光孔径场镜通光孔径mlDz224tan接目镜孔径的确定接目镜孔径的确定1000522f 目镜调节目镜调节Dm2KDm 12-6-7-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算二、伽利略望远镜外形尺寸计算二、伽利略望远镜外形尺寸计算伽利略望远镜成像原理伽利略望远镜成像原理 伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。伽利略望远镜

5、常用在大地测量和航空测量仪器中。结构简单、筒长短、正像和光能损失少。结构简单、筒长短、正像和光能损失少。-7-8-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算二、伽利略望远镜外形尺寸计算二、伽利略望远镜外形尺寸计算1.物镜和目镜焦距的计算物镜和目镜焦距的计算21ff-为了得到尽可能短的筒长和良好的成像质量，应为了得到尽可能短的筒长和良好的成像质量，应按物镜能承担的最大相对孔径来选择物镜的焦距，相按物镜能承担的最大相对孔径来选择物镜的焦距，相对孔径一般不超过对孔径一般不超过1:41:3，一般选择单负透镜作为，一般选择单负透镜作为目镜。目镜。zzlLl2.确定入瞳直径确定入瞳直径DDD3

6、.确定入瞳距确定入瞳距lz伽利略望远镜的入瞳总是在系统的右边。伽利略望远镜的入瞳总是在系统的右边。-8-9-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算二、二、伽利略伽利略望远镜外形尺寸计算望远镜外形尺寸计算4.视场角的计算视场角的计算 LlDDz 211tan LlDz 210tan LlDDz 212tan无渐晕无渐晕50%渐晕渐晕100%渐晕最大视场角渐晕最大视场角5.视场角的计算视场角的计算DKlDz tan22-9-实验：设计设计一款望远镜实验：设计设计一款望远镜放大倍率：放大倍率：8倍倍出瞳距：出瞳距：12mm出瞳直径：出瞳直径：12mm视场角：视场角：4 已知：已知：要

7、求：满足望远镜像差公差要求要求：满足望远镜像差公差要求提示：计算出望远镜的外形尺寸，在提示：计算出望远镜的外形尺寸，在zemax的的LEN中查找合适的物镜和目镜进行拼接，再优化。中查找合适的物镜和目镜进行拼接，再优化。http:/ 已知条件：视觉放大率已知条件：视觉放大率、视场角、视场角2、出瞳直径、出瞳直径D、筒长、筒长L、出瞳距、出瞳距lz、渐晕系数、渐晕系数K。（1）计算目镜的焦距，选择目镜结构计算目镜的焦距，选择目镜结构;（2）计算物镜的焦距，选择物镜结构计算物镜的焦距，选择物镜结构;（3）计算视场光阑孔径计算视场光阑孔径D2;（4）计算转向系统的焦距计算转向系统的焦距f3，f4;（5

8、）计算转向透镜间距计算转向透镜间距d。-12-1.计算场镜的焦距计算场镜的焦距2f 2.计算各光祖的通光孔径计算各光祖的通光孔径1122mlDztanKDm 12 21133112/dlz 1、2、3分别为物镜、场镜和转像透镜的光分别为物镜、场镜和转像透镜的光焦度；焦度；d为转像透镜之间的间隔。为转像透镜之间的间隔。（1）（2）场镜的通光孔径场镜的通光孔径D2=视场光阑孔径视场光阑孔径（3）转像透镜的通光孔径转像透镜的通光孔径D3，D4视场光阑孔径视场光阑孔径（4）目镜的通光孔径目镜的通光孔径 543554452FFzlfKDlfhDtan物镜的通光孔径物镜的通光孔径-13-3114ff ta

9、ntantan2434/tandhhzz 4445fhz /tantan11111322222flmffllflDFzFztantanmlDz224tan接目镜的通光孔径接目镜的通光孔径目镜的通光孔径目镜的通光孔径把物镜和第一组转像透镜看成是一个望远系统把物镜和第一组转像透镜看成是一个望远系统主光线高度主光线高度-14-四、四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算要求正像和较短的筒长时，一般要用棱镜转向系统，要求正像和较短的筒长时，一般要用棱镜转向系统，在计算外形尺寸时，应将棱镜展开成玻璃平行平板

10、，再变在计算外形尺寸时，应将棱镜展开成玻璃平行平板，再变换成等效空气板，根据通光孔径计算棱镜尺寸换成等效空气板，根据通光孔径计算棱镜尺寸。-15-16-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算四、四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算1.计算物镜和目镜的焦距计算物镜和目镜的焦距2.确认入瞳直径和物镜通光孔径确认入瞳直径和物镜通光孔径11Lf12LfDDDD 1物镜框作为孔径光阑物镜框作为孔径光阑3.选择物镜和目镜结构选择物镜和目镜结构根据物镜的根据物镜的 、和和2 来选择物镜结构。来选择物镜结构。1f 1fD/tantan根据根据计算

11、出目镜视场角。计算出目镜视场角。再根据再根据 和和2 来选择目镜结构。来选择目镜结构。2f 已知条件：视觉放大率已知条件：视觉放大率、视场角、视场角2、出瞳直径、出瞳直径D、筒长筒长L。-16-17-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算四、四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算4.计算视场光阑直径计算视场光阑直径tan12 fDk 5.反射棱镜外形尺寸计算反射棱镜外形尺寸计算直角棱镜直角棱镜屋脊棱镜屋脊棱镜屋脊面屋脊面在不改变光轴方向和主截面在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，内成像方向的条件下，增加一次增加一次反射反射，

12、使系统总的反射次数由，使系统总的反射次数由奇奇数变成偶数数变成偶数，从而达到物像相似，从而达到物像相似的要求。的要求。-17-DD/2oABCEo1KN sinsin11222DDDOCAOAC 409022tansinsinDOAAKAB 404021tansintanDOKKOOKd5.反射棱镜外形尺寸计算反射棱镜外形尺寸计算DdK 棱镜常数棱镜常数-18-19-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算5.反射棱镜外形尺寸计算反射棱镜外形尺寸计算四、四、具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算具有棱镜转像系统的望远镜系统外形尺寸计算为减小棱镜尺寸、获得较大的允许制造误差，棱镜

13、应为减小棱镜尺寸、获得较大的允许制造误差，棱镜应尽量靠近物镜的像平面。尽量靠近物镜的像平面。212010fa .根据根据1412 fDD tanKn2 tantan1322ayD 计算出棱镜的输入面和输出面的通光孔径，取其中最大计算出棱镜的输入面和输出面的通光孔径，取其中最大值作为棱镜的通光孔径值作为棱镜的通光孔径D，带入公式求出棱镜尺寸。，带入公式求出棱镜尺寸。6.计算出瞳距计算出瞳距22/zFzxll 7.计算目镜通光孔径计算目镜通光孔径11111322222flmffllflDFzFztantanmlDz224tan-19-20-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算五、

14、五、内调焦望远镜的外形尺寸计算内调焦望远镜的外形尺寸计算物镜内部有一个负物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合的调焦镜组构成的复合物镜。利用复镜组对远物镜。利用复镜组对远近不同的物体进行调焦近不同的物体进行调焦能使像始终位于一个固能使像始终位于一个固定位置，该负镜组称为定位置，该负镜组称为调焦镜。调焦镜。与外调焦望远镜相与外调焦望远镜相比，具有筒长短，密封比，具有筒长短，密封性好的优点。广泛应用性好的优点。广泛应用于大地测量仪器中。于大地测量仪器中。-20-21-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算五、五、内调焦望远镜的外形尺寸计算内调焦望远镜的外形尺寸计算负镜组使筒长显著减小

15、，缩小比：负镜组使筒长显著减小，缩小比：fLm m=0.6 0.8已知条件：物镜焦距已知条件：物镜焦距 、相对孔径、相对孔径 、视场角、视场角2、仪器轴位移仪器轴位移、缩小比、缩小比m或筒长或筒长L、最近调焦距离、最近调焦距离lmin1f 1fD/测距方程：测距方程：scKls 准距条件：准距条件：021 ffdL0 sc此时此时 mmL20152 前组到转轴的距离前组到转轴的距离-21-1.前组和调焦组的焦距前组和调焦组的焦距与间隔的计算与间隔的计算2.各镜组的通光孔径的计算各镜组的通光孔径的计算五、五、内调焦望远镜的外形尺寸计算内调焦望远镜的外形尺寸计算 021112121ffdLLfdf

16、dfdffff(1)前组的通光孔径前组的通光孔径D11122mlDztan(2)调焦组的通光孔径调焦组的通光孔径D2111fh /tantan上112 tandhh上上222上hD h上上1为上光线在前组上的高度为上光线在前组上的高度h上上2为上光线在调焦组上的高度为上光线在调焦组上的高度3.近距离的间隔近距离的间隔ds的计算的计算 2111421fLlLlLlds -22-23-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算六、六、生物显微镜的的外形尺寸计算生物显微镜的的外形尺寸计算用来观察生物切片、生物细胞、细菌以及活体组织培用来观察生物切片、生物细胞、细菌以及活体组织培养、流质沉

17、淀等的观察和研究，同时可以观察其他透明养、流质沉淀等的观察和研究，同时可以观察其他透明或者半透明物体以及粉末、或者半透明物体以及粉末、细小细小颗粒等颗粒等物体物体。按分辨率要求确定数值孔径，按数值孔径确定系统按分辨率要求确定数值孔径，按数值孔径确定系统的有效放大率。的有效放大率。-23-24-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算2.分配物镜和目镜的放大率分配物镜和目镜的放大率六、六、生物显微镜的的外形尺寸计算生物显微镜的的外形尺寸计算3.计算物镜和目镜的焦距计算物镜和目镜的焦距4.计算显微镜的总焦距计算显微镜的总焦距1.计算物镜的数值孔径计算物镜的数值孔径NA610.NA已知

18、条件：分辨率已知条件：分辨率、共轭距、共轭距L、有效放大率、有效放大率。目 垂轴垂轴放大率放大率 211 Lf目2502 f250 f5.计算目镜的线视场计算目镜的线视场6.计算物镜线视场计算物镜线视场 tan222fy/yy 22-24-25-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算六、六、生物显微镜的的外形尺寸计算生物显微镜的的外形尺寸计算7.计算出瞳距计算出瞳距zFzFzxflxll2222 8.计算显微镜的计算显微镜的 景深景深 9.计算物镜通光孔径计算物镜通光孔径NAndx 25021112ulDtan 1112ufyDtan 物镜框为孔径光阑物镜框为孔径光阑孔径光阑在

19、物镜后焦面上孔径光阑在物镜后焦面上10.计算目镜通光孔径计算目镜通光孔径目镜场镜的通光孔径目镜场镜的通光孔径D2接目镜的通光孔径接目镜的通光孔径D3 DxlDzF tan223 11112222DlllDyDF -25-26-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算七、七、读数显微镜的的外形尺寸计算读数显微镜的的外形尺寸计算数值孔径小，放大倍数数值孔径小，放大倍数低、放大倍数要求准确，低、放大倍数要求准确，物镜应选用远心光路物镜应选用远心光路已知条件：读数精度已知条件：读数精度，共轭距共轭距L-26-27-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算七、七、读数显微镜的

20、的外形尺寸计算读数显微镜的的外形尺寸计算1.计算物镜的放大倍率和焦距计算物镜的放大倍率和焦距int t:螺杆的螺距，螺杆的螺距，i:刻度值，刻度值，n:鼓轮的刻度数鼓轮的刻度数 211 Lf11 Ll11ll 2.计算目镜的放大倍率和焦距计算目镜的放大倍率和焦距tn 500目目mmf2502 3.计算物镜的数值孔径计算物镜的数值孔径NA4.计算分划板的直径计算分划板的直径300 NA分划板的直径由目镜物方线视场决定，一般为分划板的直径由目镜物方线视场决定，一般为18 20mm5.计算物镜线视场计算物镜线视场/yy 22-27-28-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算七、七、

21、读数显微镜的的外形尺寸计算读数显微镜的的外形尺寸计算6.计算出瞳距计算出瞳距7.计算出瞳直径计算出瞳直径11222flfllFz NAfD 29.计算孔径光阑的通光孔径计算孔径光阑的通光孔径8.计算物镜通光孔径计算物镜通光孔径10.计算目镜的通光孔径计算目镜的通光孔径 1112ufyDtan 112ufDtan 孔 DlflflyDF 2112132DlDz tan24目镜场镜的目镜场镜的通光孔径通光孔径D3接目镜的通光孔径接目镜的通光孔径D4-28-29-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算八、八、投影系统的的外形尺寸计算投影系统的的外形尺寸计算投影系统的外形尺投影系统的外

22、形尺寸计算，主要是计算寸计算，主要是计算投影物镜和照明系统投影物镜和照明系统的光学特性和外形尺的光学特性和外形尺寸。使屏幕得到足够寸。使屏幕得到足够的像面照度，还必须的像面照度，还必须选择好光源，计算系选择好光源，计算系统的光能量。统的光能量。已知条件：胶片尺寸已知条件：胶片尺寸bh、屏幕尺寸、屏幕尺寸b h（或放大（或放大率）、物镜到投影屏的距离率）、物镜到投影屏的距离l、像面照度、像面照度E，有时给出光，有时给出光源类型。源类型。-29-1.确定投影物镜的光学特性确定投影物镜的光学特性hhbb （1）物镜放大倍率）物镜放大倍率（2）投影物镜焦距）投影物镜焦距f 1lf（3）物镜前焦点到胶片

23、的距离）物镜前焦点到胶片的距离fx （4）物镜视场角）物镜视场角 xfhb 222tan（5）物镜相对孔径）物镜相对孔径 LKEfD012 /E0中心视场照度中心视场照度-30-31-4.2典型光学系统外形尺寸计算典型光学系统外形尺寸计算八、八、投影系统的的外形尺寸计算投影系统的的外形尺寸计算2.计算照明系统的光学特性计算照明系统的光学特性照明方式：柯勒照明光源成像到入瞳上，临界照明照明方式：柯勒照明光源成像到入瞳上，临界照明光源成像到胶片上光源成像到胶片上（1）照明系统的放大率）照明系统的放大率cDk （2）聚光镜的孔径角）聚光镜的孔径角kkkUU sinsin xxyxfDUzkk 2tan（3）聚光镜的焦距）聚光镜的焦距kkklf 1聚光镜的主面到物镜入瞳距离聚光镜的主面到物镜入瞳距离kl-31-http:/