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1、 -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 21 ffL 21ff 11 Lf 12 Lf 已知條件：視覺放大率、視場角2、出瞳直徑D，筒長L和
2、目鏡焦距 、出瞳距 三個條件中任選一個。2f zl1）已知筒長L 2）給定目鏡焦距2f 21 ff -3）給定出瞳距zl tantan zzzF xxll 2 2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)DD 1fD /計算出相對孔徑：1f根據(jù)1fD /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11 22 mlD z tan2）視場光闌通光孔徑tan- 12 2 fD 3）目鏡通光孔徑 111 1
3、13 22 222 flmf fllflD FzFz tantan場鏡通光孔徑mlD z 224 tan接目鏡孔徑的確定10005 22f目鏡調(diào)節(jié)Dm 2 KDm 12 -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21 ff -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。 zz
4、lLl 2. 確定入瞳直徑D DD 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 Ll DD z 2 11tan LlDz 2 10tan Ll DD z 2 12tan無漸暈50%漸暈100%漸暈最大視場角5. 視場角的計算DKlD z tan22 -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(jìn)行拼接，再優(yōu)化。 http:/ -11- 4.2典
5、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：f3，f4目鏡焦距：f5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D 2;（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。
6、 -13- 1. 計算場鏡的焦距2f2. 計算各光祖的通光孔徑 11 22 mlD z tan KDm 12 211 33112 / dlz 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 54 355445 2 FFz lfKDlfhD tan物鏡的通光孔徑 -14-3114 ff tantantan 2434 /tandhh zz 4445 fhz /tantan 111 113 22 222 flmf fllflD FzFz tantan mlD
7、 z 224 tan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11 Lf 12 LfDD DD 1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)。 1f 1fD / tant
8、an 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)。2f 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tan12 fDk 5. 反射棱鏡外形尺寸計算直角棱鏡屋脊棱鏡屋脊面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-D D/2oA BC E o1K N sinsin 112 22D DD OCAOAC 409022 tansinsin DOAAKAB 40402 1tansintanDOKKOO
9、Kd5. 反射棱鏡外形尺寸計算DdK 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。21 2010 fa .根據(jù)1 412 fDD tan Kn2tantan13 22 ayD 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2 2 /zFz xll 7. 計算目鏡通光孔徑 111 113 22 222 flmf fllflD FzFz tantan mlD z 224 tan -20- 4.
10、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。 -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：fLm m=0.60.8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l min1f 1fD /測距方程：scKls 準(zhǔn)距條件：02 1 ffdL 0sc此時 mmL 20152 前組到轉(zhuǎn)軸的距離 -2
11、2-1. 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 02 1 1121 21 ffdL Lfdfd fdff ff (1)前組的通光孔徑D1 11 22 mlD z tan(2)調(diào)焦組的通光孔徑D2 111 fh /tantan上 112 tandhh上上22 2上hD 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 2111 421 fLlLlLlds -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
12、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 610.NA已知條件：分辨率、共軛距L、有效放大率。 目垂軸放大率 21 1 Lf目2502 f250f5. 計算目鏡的線視場 6. 計算物鏡線視場 tan222 fy /yy 22 -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zFzFz xflxll 2222
13、8. 計算顯微鏡的 景深 9. 計算物鏡通光孔徑NAndx 2502111 2 ulD tan 111 2 ufyD tan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 DxlD zF tan223 111 12 222 Dlll DyD F -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int t:螺桿的螺距，i:刻度值
14、，n:鼓輪的刻度數(shù) 21 1 Lf 11 Ll 11 ll 2. 計算目鏡的放大倍率和焦距t n 500目目mmf 2502 3. 計算物鏡的數(shù)值孔徑NA4. 計算分劃板的直徑300NA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/yy 22 -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11 222 fl fll Fz NAfD 29. 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 111 2 ufyD tan 112 ufD tan孔 Dlflfl yD F 211213 2
15、DlD z tan24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。 1. 確定投影物鏡的光學(xué)特性hhbb （1）物鏡放大倍率（2）投影物鏡焦距f 1 lf（3）物鏡前焦點到膠片的距離fx （4）物鏡視場角 xf hb 2 22tan（5）物鏡相對孔徑 LKEfD 012 /E 0中心視場照度 -31- 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2. 計算照明系統(tǒng)的光學(xué)特性照明方式：柯勒照明光源成像到入瞳上，臨界照明光源成像到膠片上（1）照明系統(tǒng)的放大率cDk （2）聚光鏡的孔徑角kkk UU sinsin xx yxfDU zkk 2tan（3）聚光鏡的焦距 kkk lf 1聚光鏡的主面到物鏡入瞳距離kl http:/
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