光学设计讲义.ppt

光 学 设 计武汉大学光电信息工程系武汉大学光电信息工程系何平安何平安 教授教授20112011年年9 9月月光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计课程设计任务书设计题目：设计题目：内调焦准距式望远系统光学设计设计要求：设计要求：用途：用作工程水准仪、经纬仪等仪器的照准望远镜，其作用作工程水准仪、经纬仪等仪器的照准望远镜，其作用是观察与照准目标。考虑野外使用特点，要求仪器使用和用是观察与照准目标。考虑野外使用特点，要求仪器使用和保养方便，体积小，重量轻，便于携带，成像清晰。保养方便，体积小，重量轻，便于携带，成像清晰。主要技术参数：放放 大大 率：率：24 乘乘 常常 数：数：k=100分分 辨辨 率：率：4 加加 常常 数：数：c=0视视 场场 角：角：2w 1.6 最短视距：最短视距：Ds 2m筒筒 长：长：LT 195mm光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计设计题纲：设计题纲：技术参数选择；技术参数选择；外形尺寸计算；外形尺寸计算；结构选型；结构选型；求解初始结构参数；求解初始结构参数；像差校正；像差校正；绘制光学系统图与部分光学零件图。绘制光学系统图与部分光学零件图。计划进度：计划进度：第第 1 1 周：布置任务，第周：布置任务，第1 1专题讲座：外形尺寸计算；专题讲座：外形尺寸计算；第第 2 2 周：第周：第2 2专题讲座：初始结构参数求解；专题讲座：初始结构参数求解；第第 3 3 周：初始结构参数求解；周：初始结构参数求解；第第4545周：第周：第3 3专题讲座：专题讲座：ZEMAXZEMAX使用，像差校正使用，像差校正(上机上机)；第第6969周：第周：第4 4专题讲座：专题讲座：AutoCADAutoCAD上机制图；上机制图；第第 10 10 周：提交设计报告；周：提交设计报告；光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计考核方式：考核方式：平时平时(考勤、表现及能力考勤、表现及能力)/)/设计报告设计报告/图纸图纸/答辩答辩 纪纪 律：律：严格按作习时间上下课严格按作习时间上下课(14:5517:25)(14:5517:25)；上下课点名，有事必须请假，经批准方可离开教室；上下课点名，有事必须请假，经批准方可离开教室；按时按进度完成阶段性任务；按时按进度完成阶段性任务；进实验室必须登记，爱护设备；进实验室必须登记，爱护设备；认真完成课程设计报告和要求的设计图纸。认真完成课程设计报告和要求的设计图纸。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计讲座1：内调焦准距式望远系统 内调焦准距式望远镜是各种工程测量仪器的主要部件之一，内调焦准距式望远镜是各种工程测量仪器的主要部件之一，其主要作用是观察并照准测站上的水准标尺。其主要作用是观察并照准测站上的水准标尺。照准标尺后，通过视距丝，读取分划板上视距丝对应的标尺照准标尺后，通过视距丝，读取分划板上视距丝对应的标尺读数，即可测得标尺与仪器读数，即可测得标尺与仪器(转轴转轴)的距离与高差。的距离与高差。1-1 望远镜的调焦望远镜的调焦通过移动光学系统中某光学元件的位置，使远近不同位置的通过移动光学系统中某光学元件的位置，使远近不同位置的物体都能清晰地成像在分划板上。物体都能清晰地成像在分划板上。一、一、外调焦外调焦移动望远镜的目镜和分划板，使有限距离的物体仍成像在分移动望远镜的目镜和分划板，使有限距离的物体仍成像在分划板上，供目镜观察。划板上，供目镜观察。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计外调焦的外调焦的优点：优点：结构简单，成像质量好。结构简单，成像质量好。缺点：缺点：外形尺寸大，密封性差。外形尺寸大，密封性差。二、二、内调焦内调焦物镜由两个光组组成物镜由两个光组组成(主物镜+调焦镜)。调焦过程中，目镜。调焦过程中，目镜和分划板固定不动，移动调焦镜来实现对物体进行调焦。和分划板固定不动，移动调焦镜来实现对物体进行调焦。L2P-l1(Ds)f1f2LL1外调焦望远镜系统光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计1 内调焦望远系统内调焦望远系统物镜的筒长比组合焦距短。内调焦比外调焦望远镜筒长短。物镜的筒长比组合焦距短。内调焦比外调焦望远镜筒长短。优点：筒长缩短，外形小筒长缩短，外形小,结构紧凑结构紧凑,携带方便携带方便,密封性好。密封性好。大地测量仪器中，多采用内调焦望远镜作为观察照准系统。大地测量仪器中，多采用内调焦望远镜作为观察照准系统。缺点：其结构相对复杂，加工、装调要求较为严格。其结构相对复杂，加工、装调要求较为严格。L32PL12L2d-l1(Ds)d0dLf12f3HF12内调焦望远镜系统光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2 内内调焦系统的调焦量调焦系统的调焦量当观察从无穷远到有限远最短视距处的物体时，调焦镜在调当观察从无穷远到有限远最短视距处的物体时，调焦镜在调焦过程中的最大移动量称为焦过程中的最大移动量称为调焦量。系统调焦量的确定系统调焦量的确定系统调焦量的确定系统调焦量的确定1)当对无穷远调焦时当对无穷远调焦时，因为，因为l l1 1=-=-，l l1 1 =f f 1 1，则：，则：把物像关系的高斯公式用于调焦镜，得：把物像关系的高斯公式用于调焦镜，得：于是物镜的筒长为：于是物镜的筒长为：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2)当调焦至有限远距离当调焦至有限远距离-l时，时，先求物体经过主物镜先求物体经过主物镜L L1 1的像距的像距l l 1 1。移动调焦镜移动调焦镜L L2 2，使所成像落在分划板上。设这时调焦镜到主，使所成像落在分划板上。设这时调焦镜到主物镜的距离为物镜的距离为d d，则系统的调焦量为：，则系统的调焦量为：d=d d0由于由于d d=L L-l l 2 2,即：即：l l 2 2=L L-d d,又：又：l l2 2=l l 1 1-d d,代入调焦镜物像代入调焦镜物像公式：公式：从中解得从中解得d d：以以l l1 1=-=-D Ds s求得物镜像距求得物镜像距l l 1 1，代入即计算调焦镜的调焦量，代入即计算调焦镜的调焦量 d d。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计1-2 光学测距原理光学测距原理 一、光学测距原理与测距方程一、光学测距原理与测距方程先以外调焦系统来分析说明光学测距原理。先以外调焦系统来分析说明光学测距原理。标尺标尺BCBC位于离仪器转轴位于离仪器转轴O O点距离为点距离为D D的测站的测站A A点处，成像在点处，成像在分划板上。设视距丝的间距为分划板上。设视距丝的间距为b b，上下视距丝在标尺上读数，上下视距丝在标尺上读数之差为之差为b b，标尺到物镜主面的距离为，标尺到物镜主面的距离为l l。则：。则：-f-lDlABCb视距丝十字丝bCBA标尺像标尺转轴F光学测距原理图光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计由图中相似三角形关系，有：由图中相似三角形关系，有：于是：于是：所以有：所以有：式中：式中：称为称为乘常数，c=c=+f+f 称为称为加常数。为仪器为仪器转轴到物镜后主面转轴到物镜后主面H H 的距离。的距离。由于由于k k和和c c为常数，为常数，只要在分划板上读出上下视距丝在标尺上的读数差b，就可以求出标尺到仪器的距离D。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计二、准距系统与准距条件二、准距系统与准距条件对于内调焦系统，测距方程仍然可以写成上述形式，乘常数、对于内调焦系统，测距方程仍然可以写成上述形式，乘常数、加常数分别变为：加常数分别变为：式中：式中：f f 0 0为物镜组调焦至无穷远时的系统焦距为物镜组调焦至无穷远时的系统焦距,f f =f f -f f 0 0为对有限距离的物体调焦后物镜组焦距的变化量为对有限距离的物体调焦后物镜组焦距的变化量,f f 为调焦为调焦后物镜组的焦距。故后物镜组的焦距。故加常数加常数c c在调焦过程中是变化的。在调焦过程中是变化的。为方便计为方便计,最好使加常数最好使加常数c c=0=0。一般乘常数取。一般乘常数取100/50,100/50,则所测则所测距离距离D D直接由标尺读数而得。调焦过程中直接由标尺读数而得。调焦过程中,加常数加常数c c是变化的是变化的,不能严格地满足不能严格地满足c c=0=0的条件的条件,但要满足但要满足c c 0 0还是容易实现的。还是容易实现的。把把c c 0 0称为称为准距条件，满足准距条件的系统称为，满足准距条件的系统称为准距系统。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计由由c c=0=0可以推导出准距条件的另一种表达式：可以推导出准距条件的另一种表达式：加常数加常数c c 0 0，这时测距方程简化为：，这时测距方程简化为：从而使测距过程简化。从而使测距过程简化。如如k k=100=100，若读得，若读得|b b|=43.5cm|=43.5cm，则得，则得D D43.5m43.5m。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计讲座II：参数选择与外形尺寸计算 光学设计一般是从技术参数的选择与确定开始的。光学设计一般是从技术参数的选择与确定开始的。技术参数确定后，拟定系统方案：即确定系统的组成。技术参数确定后，拟定系统方案：即确定系统的组成。而后进行外形尺寸计算，确定各组成光学元件的焦距、通光而后进行外形尺寸计算，确定各组成光学元件的焦距、通光孔径及各元件之间的间隔，为系统结构参数求解和像差校正孔径及各元件之间的间隔，为系统结构参数求解和像差校正打好基础。打好基础。技术参数选择得与否合理、方案拟定得是否合理，直接关系技术参数选择得与否合理、方案拟定得是否合理，直接关系到光学系统设计的成败，影响光学系统的结构性和工艺性。到光学系统设计的成败，影响光学系统的结构性和工艺性。光学设计是一个工程性问题，并不片面追求设计结果的先进光学设计是一个工程性问题，并不片面追求设计结果的先进性，即只要满足设计的基本要求就行。性，即只要满足设计的基本要求就行。在满足基本设计要求的前提下，尽量做到结构简单、紧凑，在满足基本设计要求的前提下，尽量做到结构简单、紧凑，具有良好的工艺性，成本低。具有良好的工艺性，成本低。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2-1 内调焦望远系统参数的确定内调焦望远系统参数的确定 一、望远镜的缩短系数一、望远镜的缩短系数Q Q内调焦望远系统显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比内调焦望远系统显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比其组合焦距要短。其组合焦距要短。为满足体积小、重量轻为满足体积小、重量轻,便于携带的要求便于携带的要求,应使望远镜的筒应使望远镜的筒长尽可能短，但筒长并不是越短越好。长尽可能短，但筒长并不是越短越好。为便于研究筒长与焦距的关系，定义为便于研究筒长与焦距的关系，定义缩短系数Q：表征内调焦望远镜长的缩短程度。表征内调焦望远镜长的缩短程度。二、内调焦准距式望远系统应满足的条件二、内调焦准距式望远系统应满足的条件内调焦准距式望远镜系统应满足如下条件：内调焦准距式望远镜系统应满足如下条件：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计系统总光焦度系统总光焦度 12与主物镜、调焦镜的焦距与间隔应满足：与主物镜、调焦镜的焦距与间隔应满足：12=1+2-d 1 2物镜的筒长满足关系式：物镜的筒长满足关系式：准距条件：准距条件：仪器支撑起来的平衡问题仪器支撑起来的平衡问题 望远镜支撑在一个回转轴上望远镜支撑在一个回转轴上,可可在水平面内在水平面内360360 范围内作任意角度的旋转范围内作任意角度的旋转,要求旋转平稳可要求旋转平稳可靠。靠。从总体结构上看从总体结构上看,整个望远镜的重心应偏向于主物镜一方。整个望远镜的重心应偏向于主物镜一方。考虑目镜组对主物镜的平衡考虑目镜组对主物镜的平衡,把仪器转轴设在把仪器转轴设在L/2L/2处处,即：即：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计联立上述四个方程式，并考虑缩短系数的定义式，得：联立上述四个方程式，并考虑缩短系数的定义式，得：取不同的筒长取不同的筒长L L和缩短系数和缩短系数Q Q值，便可以计算一系列的值，便可以计算一系列的f f 1212、f f 1 1、f f 2 2、d d0 0、f f 3 3、l l F F和调焦镜的轴向放大率和调焦镜的轴向放大率 2 2。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计三、主要参数的确定三、主要参数的确定L=150mmQf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55272.73121.2098.16-41.4711.3651.8423.045.060.60250.00123.9798.36-50.8010.4251.6525.614.080.65230.77126.8398.56-62.769.6251.4428.273.310.70214.28129.8098.77-78.718.9351.2231.032.720.75200.00132.8798.97-101.008.3351.0333.092.250.80187.50136.0599.17-134.407.8150.8336.881.90L=160Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55290.91129.28104.71-44.2212.1255.2924.575.060.60266.67132.23104.92-54.1711.1155.0827.314.080.65246.15135.29105.14-66.9410.2654.8630.153.310.70228.57138.45105.35-83.959.5254.6433.102.720.75213.33141.73105.57-107.748.8954.4336.162.250.80200.00145.12105.78-143.378.3354.2239.341.90取=-24、不同的筒长L和缩短系数Q，计算的结果列表 光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计L=170Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55309.09137.36111.25-46.9912.8858.7526.115.060.60283.33140.50111.48-57.5711.8058.5629.024.080.65261.54143.74111.71-71.1110.9058.2832.033.310.70242.86147.11111.94-89.2010.1258.0635.172.720.75226.67150.59112.17-114.479.4457.8338.422.250.80212.50154.20112.40-152.368.8557.6041.801.90L=180Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55327.27145.44117.80-49.7513.6462.2027.645.060.60300.00148.76118.04-60.9412.5061.9530.724.080.65276.92152.20118.26-75.3111.5461.7233.923.310.70257.14155.76118.52-94.4610.7161.4827.242.720.75240.00159.45118.76-121.2410.0061.2440.692.250.80225.00163.26119.01-161.269.37560.9844.251.90光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计计算表明计算表明计算表明计算表明：ZZ为使仪器结构紧凑为使仪器结构紧凑,必须缩短仪器筒长。必须缩短仪器筒长。缩短筒长缩短筒长L,f 1、f 2、f 3减小减小,各透镜组相对孔径各透镜组相对孔径D/f 将增大。将增大。相对孔径增相对孔径增大大,像差校正困难像差校正困难,或使结构复杂或使结构复杂,成本增加。因此仪器筒长成本增加。因此仪器筒长不宜术小。不宜术小。ZZ筒长筒长L L一定时一定时,希望一定筒长所能获得的组合焦距希望一定筒长所能获得的组合焦距f f 1212越大越越大越好好,即缩短系数即缩短系数Q Q越小越好。越小越好。Q Q越小越小,f f 1 1、f f 2 2就越小就越小,从而从而D D1 1/f f 1 1和和D D2 2/f f 2 2增大增大,且且 2 2增大增大,主物镜的剩余像差经调焦主物镜的剩余像差经调焦镜后将被放大镜后将被放大 2倍倍,于像差校正是不利的。另一方面于像差校正是不利的。另一方面,Q Q越大越大,f f 1212和和f f 3 3就越小就越小,但目镜的焦距不能太小但目镜的焦距不能太小,否则否则,目镜的镜目镜的镜目距小目距小,影响观察。影响观察。因此，应该取适当的因此，应该取适当的L L和和Q Q。作为例子，我们取：。作为例子，我们取：=-24，L=170，Q=0.65 f12=261.54，d0=111.71,f1=143.74，f2=-71.11，f3=10.90光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计由于计算误差和取舍误差，亦或计算错误，有可能使得加常由于计算误差和取舍误差，亦或计算错误，有可能使得加常数数c c 0 0。因此，。因此，必须检验加常数是否为必须检验加常数是否为0。检验公式为：为：将所确定的参数代入，得：将所确定的参数代入，得：c=0.00254由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。不计。参数确定后，就可以进行外形尺寸计算。参数确定后，就可以进行外形尺寸计算。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2-2 内调焦望远系统外形尺寸计算内调焦望远系统外形尺寸计算 一、物镜通光孔径及出瞳大小一、物镜通光孔径及出瞳大小把孔径光阑设置在物镜框上，视场光阑设置在分划板上。这把孔径光阑设置在物镜框上，视场光阑设置在分划板上。这样样,入瞳与物镜框重合入瞳与物镜框重合,出瞳在目镜后焦点以外靠近焦点的出瞳在目镜后焦点以外靠近焦点的地方地方,入窗和出窗均在无穷远。入窗和出窗均在无穷远。为了满足分辨率的要求为了满足分辨率的要求,即即 4 4，由，由得：得：由由=D D/D D 知知,一定时一定时,出瞳出瞳D 随随D的增大而增大的增大而增大。D D的增大的增大,即物镜通光孔径增大即物镜通光孔径增大,使仪器外形增大。当使仪器外形增大。当f f 1 1一定时一定时,物镜物镜的的D D1 1/f f 1 1也随之增大也随之增大,高级像差增大高级像差增大,像差校正困难。像差校正困难。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计通常通常,用于大地测量仪器的望远镜系统用于大地测量仪器的望远镜系统,为了提高测量精度为了提高测量精度,出瞳直径出瞳直径D D=1.31.5mm=1.31.5mm，一般取，一般取D D =1.5mm=1.5mm，则：，则：D=-D 24 1.5=36mm因此入瞳直径因此入瞳直径,即物镜的通光孔径即物镜的通光孔径D1=36mm,对应的出瞳直对应的出瞳直径径D=1.5mm。二、调焦镜的通光孔径二、调焦镜的通光孔径调焦镜的通光孔径调焦镜的通光孔径D D2 2由轴外物点的上光线的入射高度确定。由轴外物点的上光线的入射高度确定。由图中三角关系，有：由图中三角关系，有：而而 y y 1 1=f f 1 1tgtgw w，则得调焦镜的通光孔径：则得调焦镜的通光孔径：d0f10y1F1D1D2-w光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计 D2=D D1 1-d d0 0(D D1 1/f f 1 1-2tg-2tgw w)=36-111.71 =36-111.71(36/143.74-2(36/143.74-2 tg0.8tg0.8)=11.14mm 三、分划板直径及视距丝间隔三、分划板直径及视距丝间隔因场阑与分划板重合因场阑与分划板重合,故分划板通光孔径即为场阑直径故分划板通光孔径即为场阑直径,即：即：DP=D D场场=2=2f f 1212tgtgw w =2=2 261.54261.54 tg0.8tg0.8=7.30mm根据乘常数的定义：根据乘常数的定义：得视距丝间隔得视距丝间隔 ：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径1 1、像方视场角、像方视场角由由 ，得：，得：tgtgw w =-=-tgtgw w =24 =24 tg0.8tg0.8 =0.33512499 =0.33512499所以像方视场角所以像方视场角2w=37.05。2 2、出瞳距、出瞳距出瞳距的确定可由入瞳位置逐面用成像公式计算而得：出瞳距的确定可由入瞳位置逐面用成像公式计算而得：因因l lz z1 1=0=0，所以，所以l l z z1 1=0=0，l lz z2 2=l l z1z1-d d0 0=-111.71111.71。-f3lzy2F3D3Dw目镜的成像光路光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计于是得出瞳距为：于是得出瞳距为：3 3、目镜的通光孔径、目镜的通光孔径由图可得，目镜的通光孔径为：由图可得，目镜的通光孔径为：4 4、目镜的视度调节、目镜的视度调节为适应不同视力人眼观察的需要为适应不同视力人眼观察的需要,目镜应具备视度调节功能。目镜应具备视度调节功能。目镜视度调节范围一般取目镜视度调节范围一般取 5个折光度个折光度,它是通过目镜相对于它是通过目镜相对于分划板前后移动一定的距离来实现的。因此分划板前后移动一定的距离来实现的。因此,视度调节时视度调节时,目镜的最大移动范围为：目镜的最大移动范围为：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计五、调焦镜的调焦移动量五、调焦镜的调焦移动量在调焦过程中在调焦过程中,调焦镜沿光轴前后移动调焦镜沿光轴前后移动,其移动量必须保证其移动量必须保证对无穷远至有限远最短视距范围内的物体能调焦清晰。对无穷远至有限远最短视距范围内的物体能调焦清晰。一般情况下一般情况下,调焦镜的初始位置对应无穷远物体。因此调焦镜的初始位置对应无穷远物体。因此,只只须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置，就可以确须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置，就可以确定出调焦镜的移动量。定出调焦镜的移动量。取取l l1 1=-2000mm,=-2000mm,由物像关系的高斯公式由物像关系的高斯公式,计算得计算得l l 1 1=154.87=154.87。按如下公式计算得：按如下公式计算得：于是得调焦镜的调焦量：于是得调焦镜的调焦量：d=dd0=128.77111.71=17.06mm 光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2-3 光学元件的装夹与全直径光学元件的装夹与全直径 ZZ定位与固定定位与固定 光学元件在系统中还必须通过机械结构的装夹光学元件在系统中还必须通过机械结构的装夹来实现定位与固定。来实现定位与固定。ZZ通光孔径通光孔径 指光学元件通过机械结构装夹，必须保证通光的指光学元件通过机械结构装夹，必须保证通光的孔径，因此光学元件的全直径比通光孔径要大。孔径，因此光学元件的全直径比通光孔径要大。ZZ装夹余量装夹余量 上面计算的是各光学元件上面计算的是各光学元件(透镜组透镜组)的通光孔径的通光孔径D D通通,还必须根据装夹方式不同还必须根据装夹方式不同,确定一定的装夹余量确定一定的装夹余量,从而确定从而确定各光学元件的全直径各光学元件的全直径D D全全,即：即：D全全D通通 ZZ透镜的装夹方式透镜的装夹方式 压圈法压圈法滚边法滚边法 压圈法装夹方式D通D全D通D全滚边法装夹方式透镜靠镜筒内的台阶定位,从外面用压圈压紧固定。压圈法装夹往往用于较大或大透镜的安装,如照相镜头和望远镜的装夹。压圈法固定便于拆卸、调整，是常用的装夹方式。滚边法的固定是将透镜放入镜筒后,用挤压的方式将薄的镜筒壁变形,将透镜“包”在镜筒内,实现定位与夹紧，其特点是固定稳定可靠，但不能拆卸和调整。常用于较小透镜或不便用压圈法固定的元件，如显微物镜、针孔透镜、手机数码镜头等的固定。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计装夹余量装夹余量根据透镜装夹方式和通光孔径大小，光学零件的外径余量：根据透镜装夹方式和通光孔径大小，光学零件的外径余量：通光孔径通光孔径D DT T外径外径D DQ Q通光孔径通光孔径D DT T外径外径D DQ Q滚边法滚边法压圈法压圈法滚边法滚边法压圈法压圈法到到6 6D+0.6D+0.630503050D+2.0D+2.0D+2.5D+2.5610610D+0.8D+0.8D+1.0D+1.050805080D+2.5D+2.5D+3.0D+3.010181018D+1.0D+1.0D+1.5D+1.58012080120D+3.5D+3.518301830D+1.5D+1.5D+2.0D+2.0120120D+4.5D+4.5本设计中透镜采用压圈法固定，确定各透镜的外径如下：本设计中透镜采用压圈法固定，确定各透镜的外径如下：主物镜主物镜调焦镜调焦镜分划板分划板目镜目镜通光孔径通光孔径363611.1411.147.307.309.599.59外径外径38.538.512.712.78.38.310.610.6光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计2-4 光学系统的像差校正方案与结构选型光学系统的像差校正方案与结构选型 在求解初始结构参数前，还必须确定光学系统的像差校正方案与在求解初始结构参数前，还必须确定光学系统的像差校正方案与各光组的结构选型。这两个问题至关重要，涉及光学设计的成败各光组的结构选型。这两个问题至关重要，涉及光学设计的成败与光学系统的性能。与光学系统的性能。一、像差校正方案的确定一、像差校正方案的确定 如果某系统由几个光组组成如果某系统由几个光组组成(如本系统有主物镜、调焦镜和目镜如本系统有主物镜、调焦镜和目镜),),那么：那么：既可对整个系统消像差既可对整个系统消像差(各光组之间的像差相互平衡各光组之间的像差相互平衡,相互抵消相互抵消)；也可对其中的各光组单独校正像差也可对其中的各光组单独校正像差,进而达到整个光组校正像差的进而达到整个光组校正像差的目的；目的；还可以其中某几个光组消像差，其他光组单独消像差。还可以其中某几个光组消像差，其他光组单独消像差。这样，同一个系统就会有不同的像差校正方案。不同的像差校正这样，同一个系统就会有不同的像差校正方案。不同的像差校正方案所获得的结果是不同的。方案所获得的结果是不同的。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计目视系统目视系统 望远与显微系统望远与显微系统,往往是对物镜和目镜单独校正往往是对物镜和目镜单独校正像差像差,即物镜与目镜之间没有像差补偿关系即物镜与目镜之间没有像差补偿关系,像质互不影响。像质互不影响。内调焦望远系统的物镜内调焦望远系统的物镜 主物镜和调焦镜通常也是单独校正主物镜和调焦镜通常也是单独校正像差的。因为在调焦过程中像差的。因为在调焦过程中,调焦镜的位置在变化调焦镜的位置在变化,如果调如果调焦镜与主物镜之间有像差补偿，那么调焦镜位置的变化，将焦镜与主物镜之间有像差补偿，那么调焦镜位置的变化，将会引起像差很大的变化，会严重影响系统的成像质量。会引起像差很大的变化，会严重影响系统的成像质量。二、系统的结构选型二、系统的结构选型像差校正方案确定后，像差校正方案确定后，必须根据单独校正像差的系统或光组必须根据单独校正像差的系统或光组的光学特性选择适当的结构型式。的光学特性选择适当的结构型式。ZZ光学特性光学特性 对于对于望远物镜望远物镜：D D/f f、f f 和和2 2w w表示，决定了望表示，决定了望远系统的分辨率、像的主观亮度和系统的外形尺寸。远系统的分辨率、像的主观亮度和系统的外形尺寸。对于对于目镜目镜：f f、2 2w w、D D、p p/f f 和和l lz z决定。决定。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计一定结构型式的光学系统一定结构型式的光学系统,只能满足一定光学特性的像质要只能满足一定光学特性的像质要求。因此求。因此,光学系统光学特性要求的提高光学系统光学特性要求的提高,必然伴随着系统结必然伴随着系统结构的复杂化。构的复杂化。Z折射式望远物镜的结构型式折射式望远物镜的结构型式 双胶合物镜双胶合物镜 合理选择玻璃对合理选择玻璃对,能同时能同时 L L FCFC、L L 和和SCSC,是能够满足一定像质要求的最简单结构型式。是能够满足一定像质要求的最简单结构型式。因胶合面产生较大正高级球差因胶合面产生较大正高级球差,限制了相对孔径限制了相对孔径;用普通玻用普通玻璃时璃时,L L FCDFCD 常数常数,色球差无法控制色球差无法控制,因此双胶合物镜难以因此双胶合物镜难以达到很好的像质，不能满足较大相对孔径的要求。达到很好的像质，不能满足较大相对孔径的要求。优点：优点：结构简单结构简单,工艺方便工艺方便,光能损失小光能损失小,用在焦距不长、相用在焦距不长、相对孔径不大的场合。对孔径不大的场合。双胶合物镜的常用焦距和相对孔径的对应关系 焦距f(mm)501001502003005001000相对孔径D/f1:31:3.51:41:51:61:81:10光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计双分离物镜双分离物镜 双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度，且双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度，且正负透镜间的微小间隙也可作为校正像差的变量，高级球差正负透镜间的微小间隙也可作为校正像差的变量，高级球差比双胶合物镜小。比双胶合物镜小。能适应的相对孔径比双胶合大。能适应的相对孔径比双胶合大。双分离物镜的装配与调整比双胶合困难些。双分离物镜的装配与调整比双胶合困难些。三片式物镜三片式物镜 三片式物镜校正像差的参数较多。三片式物镜校正像差的参数较多。F单-胶型 光焦度由二组负担光焦度由二组负担,使胶合面的曲率半径增大使胶合面的曲率半径增大,对对校正高级像差和色球差很有利校正高级像差和色球差很有利,相对孔径可达相对孔径可达1:21:2。F三片型 弯曲比较自由弯曲比较自由,能有效地校正色球差能有效地校正色球差,选用特种玻选用特种玻璃璃,并与其他玻璃适当配组时并与其他玻璃适当配组时,可以校正二级光谱。但此时可以校正二级光谱。但此时再要控制带球差，只能在较小的相对孔径下才能做到。这种再要控制带球差，只能在较小的相对孔径下才能做到。这种相对孔径小、像质高的结构型式往往用做平行光管物镜。相对孔径小、像质高的结构型式往往用做平行光管物镜。F本例 主物镜的相对孔径约主物镜的相对孔径约1:41:4，调焦镜的相对孔径调焦镜的相对孔径1:5.61:5.6，均可选用最简单的双胶合物镜。均可选用最简单的双胶合物镜。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计专题III 光学系统的初始设计 已知光学系统的结构参数和物体的位置与大小，通过光线追迹，计算出已知光学系统的结构参数和物体的位置与大小，通过光线追迹，计算出物体经过该光学系统所产生的像差大小，从而对物体经过该光学系统所物体经过该光学系统所产生的像差大小，从而对物体经过该光学系统所成像的质量进行评价。成像的质量进行评价。另一方面，在工程实际中，往往需要另一方面，在工程实际中，往往需要对于给定的物体，在满足一定技术条件和要求的前提下，根据像差理论，确定满足一定成像质量要求的光学系统结构参数-光学设计光学设计。光学设计的初始设计光学设计的初始设计 确定系统的初始结构参数。确定系统的初始结构参数。理论上说，光学系统的像差与其结构参数之间具有确定的关系。只要建理论上说，光学系统的像差与其结构参数之间具有确定的关系。只要建立起这种对应的关系，就可以根据像差要求求解光学系统的结构参数。立起这种对应的关系，就可以根据像差要求求解光学系统的结构参数。但是但是,像差尤其是高级像差与结构参数的函数关系很复杂像差尤其是高级像差与结构参数的函数关系很复杂,不能解析表示。不能解析表示。因此因此,无法直接根据像质要求求解光学系统的结构参数。这无法直接根据像质要求求解光学系统的结构参数。这需要设计需要设计人员人员根据像差理论、设计经验及应用相关优化设计方法,才能获得满足像质要求的光学系统结构参数。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计光学系统的初级像差与结构参数的关系虽然也较复杂，但可光学系统的初级像差与结构参数的关系虽然也较复杂，但可以解析表示。以解析表示。根据初级像差理论求解的结构参数，称之为根据初级像差理论求解的结构参数，称之为初始结构参数初始结构参数。它没有考虑高级像差的影响它没有考虑高级像差的影响,不能满足实际像差的要求不能满足实际像差的要求,往往往忽略了透镜厚度往忽略了透镜厚度,是一种近似解是一种近似解是一种近似解是一种近似解,但对于一些简单的光学但对于一些简单的光学系统系统,它是后续像差校正的前提和依据。它是后续像差校正的前提和依据。一个良好的初始结构参数能够使像差校正过程迅速收敛，很一个良好的初始结构参数能够使像差校正过程迅速收敛，很快得到满意的解。否则像差校正过程收敛速度慢快得到满意的解。否则像差校正过程收敛速度慢,甚至发散甚至发散,得不到满意的解。因此，得不到满意的解。因此，光学系统初始结构参数计算是光学系统设计中一个非常重要的环节。ZZ光学系统设计过程光学系统设计过程 外形尺寸计算、求解初始结构参数、像差校正、像质评价、公差确定和绘制光学系统图等。等。主要介绍主要介绍 PW形式的初级像差系数与结构参数的关系 光学系统初始结构参数的求解方法。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计3-1 PW形式的初级像差系数形式的初级像差系数 一一、PW的定义及的定义及PW形式的初级像差系数形式的初级像差系数光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计ZP、W的定义：为确定初级像差系数与光学系统结构参数之间的关系，将为确定初级像差系数与光学系统结构参数之间的关系，将P P、WW变形，给出其与第一近轴光线变形，给出其与第一近轴光线u u和和u u 的关系：的关系：将拉将拉-赫不变量赫不变量J J作如下变形为：作如下变形为：改写为下列形式代入初级像差公式改写为下列形式代入初级像差公式光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计即光学系统以单折射球面为单元的即光学系统以单折射球面为单元的PWPW形式的初级像差系数。形式的初级像差系数。在实际求解过程中在实际求解过程中,我们往往忽略透镜的厚度我们往往忽略透镜的厚度,即考虑薄透即考虑薄透镜镜,这样可以使问题得以进一步简化。这样可以使问题得以进一步简化。光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计二、薄透镜系统初级像差的二、薄透镜系统初级像差的PW表示式表示式 薄透镜系统是由若干薄透镜光组组成薄透镜系统是由若干薄透镜光组组成,而每个薄透镜光组又而每个薄透镜光组又是由几个相接触的薄透镜组成是由几个相接触的薄透镜组成,这时一个薄透镜组中各折射这时一个薄透镜组中各折射面上的光线高度面上的光线高度h h和和h hz z相等相等,将上述公式中的将上述公式中的h h和和h hz z提到提到 的外的外面。面。薄透镜组的薄透镜组的P、W 同一薄透镜组中各折射面的同一薄透镜组中各折射面的P P、WW之和。之和。设一薄透镜组由设一薄透镜组由N N个折射面组成，则薄透镜组的个折射面组成，则薄透镜组的P P、WW为：为：设有设有j j个薄透镜组且是相互接触的，将个薄透镜组且是相互接触的，将PWPW形式的初级像差系形式的初级像差系数以薄透镜组的数以薄透镜组的P P、WW参量为单位表示，得到：参量为单位表示，得到：光学设计光学设计-应用光学课程设计应用光学课程设计j为薄透镜组的光焦度薄透镜组的光焦度,和和n n分别为薄透镜组中分别为薄透镜组中单薄透镜的光焦度和折单薄透镜的光焦度和折射率。射率。n n=1.51.7=1.51.7，所以，所以，1/n 1/n 0.60.7 0.60.7，