光学设计讲义

《光学设计-应用光学课程设计》光学设计武汉大学光电信息工程系何平安教授2011年9月《光学设计-应用光学课程设计》课程设计任务书设计题目：内调焦准距式望远系统光学设计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。主要技术参数：放大率：24乘常数：k=100分辨率：4加常数：c=0视场角：2w1.6最短视距：Ds2m筒长：LT195mm《光学设计-应用光学课程设计》设计题纲：技术参数选择；外形尺寸计算；结构选型；求解初始结构参数；像差校正；绘制光学系统图与部分光学零件图。计划进度：第1周：布置任务，第1专题讲座：外形尺寸计算；第2周：第2专题讲座：初始结构参数求解；第3周：初始结构参数求解；第4~5周：第3专题讲座：ZEMAX使用，像差校正(上机)；第6~9周：第4专题讲座：AutoCAD上机制图；第10周：提交设计报告；《光学设计-应用光学课程设计》考核方式：平时(考勤、表现及能力)/设计报告/图纸/答辩纪律：严格按作习时间上下课(14:55~17:25)；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；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。《光学设计-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，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读数，即可测得标尺与仪器(转轴)的距离与高差。§1-1望远镜的调焦通过移动光学系统中某光学元件的位置，使远近不同位置的物体都能清晰地成像在分划板上。一、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划板上，供目镜观察。《光学设计-应用光学课程设计》外调焦的优点：结构简单，成像质量好。缺点：外形尺寸大，密封性差。二、内调焦物镜由两个光组组成(主物镜+调焦镜)。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。L2P-l1(Ds)f1f2LL1外调焦望远镜系统《光学设计-应用光学课程设计》1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。优点：筒长缩短，外形小,结构紧凑,携带方便,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。缺点：其结构相对复杂，加工、装调要求较为严格。L32PL12L2d-l1(Ds)d0dLf12f3HF12内调焦望远镜系统《光学设计-应用光学课程设计》2内调焦系统的调焦量当观察从无穷远到有限远最短视距处的物体时，调焦镜在调焦过程中的最大移动量称为调焦量。系统调焦量的确定1)当对无穷远调焦时，因为l1=-，l1=f1，则：把物像关系的高斯公式用于调焦镜，得：于是物镜的筒长为：0112-df-dll101221fd-fllF1012001fd-fddlLF《光学设计-应用光学课程设计》2)当调焦至有限远距离-l时，先求物体经过主物镜L1的像距l1。移动调焦镜L2，使所成像落在分划板上。设这时调焦镜到主物镜的距离为d，则系统的调焦量为：d=d–d0由于d=L-l2,即：l2=L-d,又：l2=l1-d,代入调焦镜物像公式：从中解得d：以l1=-Ds求得物镜像距l1，代入即计算调焦镜的调焦量d。21111fL-d--dl)f-Ll-L)(l(L-ld2111421《光学设计-应用光学课程设计》§1-2光学测距原理一、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。标尺BC位于离仪器转轴O点距离为D的测站A点处，成像在分划板上。设视距丝的间距为b，上下视距丝在标尺上读数之差为b，标尺到物镜主面的距离为l。则：-f-lDlABCb视距丝十字丝bCBA标尺像标尺转轴F光学测距原理图《光学设计-应用光学课程设计》由图中相似三角形关系，有：于是：所以有：式中：称为乘常数，c=+f称为加常数。为仪器转轴到物镜后主面H的距离。由于k和c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。δlDff-l--ff--l-bb-)(ffbb--lcbkDbfk《光学设计-应用光学课程设计》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、加常数分别变为：式中：f0为物镜组调焦至无穷远时的系统焦距,f=f-f0为对有限距离的物体调焦后物镜组焦距的变化量,f为调焦后物镜组的焦距。故加常数c在调焦过程中是变化的。为方便计,最好使加常数c=0。一般乘常数取100/50,则所测距离D直接由标尺读数而得。调焦过程中,加常数c是变化的,不能严格地满足c=0的条件,但要满足c0还是容易实现的。把c0称为准距条件，满足准距条件的系统称为准距系统。Fδ-lbbfΔcbfk0《光学设计-应用光学课程设计》由c=0可以推导出准距条件的另一种表达式：加常数c0，这时测距方程简化为：从而使测距过程简化。如k=100，若读得|b|=43.5cm，则得D＝43.5m。02110fδfδdL-bkD《光学设计-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。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。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。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。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。《光学设计-应用光学课程设计》§2-1内调焦望远系统参数的确定一、望远镜的缩短系数Q内调焦望远系统显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比其组合焦距要短。为满足体积小、重量轻,便于携带的要求,应使望远镜的筒长尽可能短，但筒长并不是越短越好。为便于研究筒长与焦距的关系，定义缩短系数Q：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内调焦准距式望远镜系统应满足如下条件：12fLQ《光学设计-应用光学课程设计》系统总光焦度12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：准距条件：仪器支撑起来的平衡问题望远镜支撑在一个回转轴上,可在水平面内360范围内作任意角度的旋转,要求旋转平稳可靠。从总体结构上看,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,把仪器转轴设在L/2处,即：02110fδfδdL-1012001fd-fddlLFL21《光学设计-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：取不同的筒长L和缩短系数Q值，便可以计算一系列的f12、f1、f2、d0、f3、lF和调焦镜的轴向放大率2。12121012110211222111612ff-f-dfffLfLLdQ--QLfQLf《光学设计-应用光学课程设计》三、主要参数的确定L=150mmQf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55272.73121.2098.16-41.4711.3651.8423.045.060.60250.00123.9798.36-50.8010.4251.6525.614.080.65230.77126.8398.56-62.769.6251.4428.273.310.70214.28129.8098.77-78.718.9351.2231.032.720.75200.00132.8798.97-101.008.3351.0333.092.250.80187.50136.0599.17-134.407.8150.8336.881.90L=160Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55290.91129.28104.71-44.2212.1255.2924.575.060.60266.67132.23104.92-54.1711.1155.0827.314.080.65246.15135.29105.14-66.9410.2654.8630.153.310.70228.57138.45105.35-83.959.5254.6433.102.720.75213.33141.73105.57-107.748.8954.4336.162.250.80200.00145.12105.78-143.378.3354.2239.341.90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-应用光学课程设计》L=170Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55309.09137.36111.25-46.9912.8858.7526.115.060.60283.33140.50111.48-57.5711.8058.5629.024.080.65261.54143.74111.71-71.1110.9058.2832.033.310.70242.86147.11111.94-89.2010.1258.0635.172.720.75226.67150.59112.17-114.479.4457.8338.422.250.80212.50154.20112.40-152.368.8557.6041.801.90L=180Qf12f1d0f2f3lF(l2)l220.55327.27145.44117.80-49.7513.6462.2027.645.060.60300.00148.76118.04-60.9412.5061.9530.724.080.65276.92152.20118.26-75.3111.5461.7233.923.310.70257.14155.76118.52-94.4610.7161.4827.242.720.75240.00159.45118.76-121.2410.0061.2440.692.250.80225.00163.26119.01-161.269.37560.9844.251.90《光学设计-应用光学课程设计》计算表明：为使仪器结构紧凑,必须缩短仪器筒长。缩短筒长L,f1、f2、f3减小,各透镜组相对孔径D/f将增大。相对孔径增大,像差校正困难,或使结构复杂,成本增加。因此仪器筒长不宜术小。筒长L一定时,希望一定筒长所能获得的组合焦距f12越大越好,即缩短系数Q越小越好。Q越小,f1、f2就越小,从而D1/f1和D2/f2增大,且2增大,主物镜的剩余像差经调焦镜后将被放大2倍,于像差校正是不利的。另一方面,Q越大,f12和f3就越小,但目镜的焦距不能太小,否则,目镜的镜目距小,影响观察。因此，应该取适当的L和Q。作为例子，我们取：=-24，L=170，Q=0.65f12=261.54，d0=111.71,f1=143.74，f2=-71.11，f3=10.90《光学设计-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，有可能使得加常数c0。因此，必须检验加常数是否为0。检验公式为：将所确定的参数代入，得：c=0.00254由此可见，系统