工程光学综合练习题

综合训练二（测控、信息、电科、光科专业适用）一、题目：典型光学系统的外形尺寸计算与分析二、目的：1）课程知识的综合运用：综合运用已经学过的理想光学系统理论、光束限 制理论和像差理论， 进行实际光学系统的外形尺寸计算， 为光学设计打下良好基 础。2）促进协助和自学能力的提高：通过小组共同研究，促进学生团结协助精 神的培养。同时培养学生查阅资料及自学能力。三、内容 外形尺寸计算，是指根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程， 其主要内容包括：1）确定系统的孔径、视场、分辨率以及光组构成和光束限制情况；2）确定各光组的光学特性（焦距、放大倍率等）及几何关系（轴向位置、 通光孔径等）；3）画出完整的系统光路图，标示主要参数予以验证；4）规划成像质量、视场、孔径的权重。 本次综合练习要求做到第 3 步。四、选题方式1）以综合练习一确定的小组为单位选题；2）有兴趣做光学设计的小组先选（第 7题和第 15题）；3）剩下的小组，由小组长抽签选择其余 13 题。五、要求1）根据要求画出系统光路图，标识系统结构、光束限制和成像典型光线。2）设计思路、分析步骤和设计过程齐全，设计合理，结果可靠。3）第 11 教学周布置任务，完成选题和资料查找工作；5）第 12 教学周完成理想参数计算；6）第 13 教学周完成各光组的选型及初步计算；7）第 14 教学周完成整体的外形尺寸计算； （网上提交）8）第 15 教学周根据反馈完善， 周末网上提交提交电子最终版， 同时上交纸 版。六、成绩评定根据设计综合情况，以百分制给分。附：设计题目练习题一开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率r=-10X，视场角2=2?, 出瞳直径D=5mm，出瞳距lz=11.25mm；另有一对称式双透镜转像系统，两透 镜之间的距离为60mm,插入上述望远镜光路中将筒长拉长180mm。请计算组合系统的外形尺寸（包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径 以及系统的光束限制情况等）。（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距#2和焦距f2有如下近似关系：lF2 0.35f2 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。）练习题二开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率r=-8X，视场角2併4?,出瞳直径D=5mm，目镜焦距f2=25mm；另有一对称式双透镜转像系统，两透镜 之间的距离为80m m，插入上述望远镜光路中将筒长拉长 240mm。请计算组合 系统的外形尺寸（包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径以 及系统的光束限制情况等）。（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距If2和焦距f2有如下近似关系：lF2 : 0.35f2 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。）练习题三开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率 r=-6X，视场角2併6?, 出瞳直径D=6mm，机械筒长L=168mm；另有一对称式双透镜转像系统，两透镜之间的距离为50mm,插入上述望远镜光路中将筒长拉长150mm。请计算组合系统的外形尺寸(包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径 以及系统的光束限制情况等)。(提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距lF2和焦距f2有如下近似关系：lF2 0.35f2 ;前工作距 lF2 = 8.6mm。)练习题四背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜， 所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面， 不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。提示：在外形尺寸计算时,必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔 径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用 单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取 1:41:3。要求：已知的条件包括:视觉放大率I=3X，相对孔径取1:3,出瞳直径D=4mm， 物镜通光孔径Do=30mm，出瞳距lz=10mm。请计算伽利略望远镜的外形尺寸， 包括：物镜、目镜焦距f。、fe;入瞳距lz ;入瞳直径D;(4) 无渐晕时物方和像方视场角収=100% 、3、100% ；(5) 目镜的通光孔径De。练习题五背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜， 所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面， 不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。提示：在外形尺寸计算时，必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔 径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用 单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取 1:41:3。要求：已知的条件包括：物镜焦距 fo=100mm，目镜焦距fe=-25mm，相对孔径 取1:3,出瞳直径D=4mm，出瞳距lz=10mm。请计算伽利略望远镜的外形尺寸， 包括：(1) 视觉放大率r ；(2) 物镜通光孔径Do;入瞳距lz ；入瞳直径D ；(5) 50%渐晕时物方和像方视场角 =50%、3k= 50% ；(6) 目镜的通光孔径De。练习题六背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜，所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面， 不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。提示：在外形尺寸计算时,必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔 径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用 单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取 1:41:3。要求：已知的条件包括:视觉放大率r=6，相对孔径取1:4,出瞳直径D=4mm， 物镜通光孔径Do=30mm，出瞳距lz=10mm。请计算伽利略望远镜的外形尺寸， 包括：(1) 物镜、目镜焦距f。、fe；入瞳距lz ；入瞳直径D ;（4）完全渐晕时物方和像方视场角敕0%、山% ；（5）目镜的通光孔径De。练习题七背景：反射式望远镜与折射式望远镜相比没有色差、光路折叠而且可以做到更大的通光孔径，因此在天文领域得到广泛应用。 其中，牛顿式望远镜的主镜通常做 成抛物面反射镜，次镜则为45?放置平面反射镜，可以很好地校正轴上点像差， 但轴外像差比较大。要求：请设计一牛顿式望远镜,物镜焦距1000mm，相对孔径F8,视场角2併1? 目镜选用凯涅尔型，出瞳直径D=5mm。请计算系统外形尺寸并将数据输入 Code V或Zemax等光学软件验证优化，分析其主要像差特点。（提示：安排主镜、次镜及目镜位置时应考虑尽量减小遮挡比；为提高轴外像质可将次镜改进为简单非球面。）练习题八一个生物显微镜，放大率r=250x，分辨率小于1m，共轭距L=195mm ,，请进 行系统外形尺寸计算。要求：1）选用阿米西型物镜和惠更斯目镜， 合理分配物镜和目镜的放大倍率并选择合 适的镜头参数；2）要计算物镜和目镜的焦距；3）要计算并标出物镜和目镜的线视场；4）要计算并标出显微系统的出瞳位置及口径；5）要计算显微镜的景深；6）计算物镜和目镜（包括场镜和接目镜）的通光口径；7）给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。（提示：分辨率按瑞利判断，波长按 D光波长计算；镜头参数选取参考 李 士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”）练习题九一个生物显微镜，放大率r=300x,分辨率小于14m,共轭距L=195mm ,，请进 行系统外形尺寸计算。要求：1）选用阿米西型物镜和冉斯登目镜， 合理分配物镜和目镜的放大倍率并选择合 适的镜头参数；2）要计算物镜和目镜的焦距；3）要计算并标出物镜和目镜的线视场；4）要计算并标出显微系统的出瞳位置及口径；5）要计算显微镜的景深；6）计算物镜和目镜（包括场镜和接目镜）的通光口径；7）给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。（提示：分辨率按瑞利判断，波长按 D光波长计算；镜头参数选取参考 李 士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”）练习题十读数显微镜目镜的前焦面上放置有两块分划板，一块是固定的，上面有10个刻度，其总长等于1mm长的物被物镜放大咅后的长度，即分划刻度值为0.1mm。 另一块分划板上面刻有十字刻线并与螺距为1mm的测微螺杆联动，测微螺杆鼓轮上刻有100个刻度，螺杆转动一周与之相连的分划板移动一个刻度，即鼓轮上一个刻度相当于1畑。已知该测量显微镜的共轭距 L=195mm。请按如下要求对 该显微镜进行外形尺寸：1）分别计算物镜和目镜的放大倍率和焦距；2）计算显微镜的总放大率-；3）选用里斯特物镜和无畸变目镜，选择合适的镜头参数；4）计算物镜、孔阑、目镜（包括场镜和接目镜）、出瞳的口径及出瞳距；5）给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。（提示：人眼的极限分辩角 ；=603 10-4rad镜头参数选取参考 李士贤, 郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”）练习题十一背景：万能工具显微镜通过瞄准工件轮廓实现测量，属于瞄准定位系统 要求：设计一万工显，工件大小为 6mm，工作距50mm,视觉放大率 r二30X, 瞄准精度S =0.5卩；照明光源为20mm*20mm面光源，采用柯拉照明方式。请计 算该系统的外形尺寸，包括各元件焦距、位置、通光孔径、各部件的放大倍率以 及系统的光束限制情况等。给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各 部件的位置及尺寸。（提示：用米字型虚线瞄准被测件轮廓时，眼睛的瞄准精度为a =20;测量显微镜必须是物方远心光路，其照明系统则为像方远心光路；测量显微镜选用 r =300NA关系；镜头参数选取参考 李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北 京理工大学出版社，1990”）练习题十二一投影系统，所用胶片尺寸为b h = 24 36mm,屏幕尺寸为b h = 1.3 2m， 投影物镜到屏幕距离I八=16m,屏幕照度大于100lx ，光源亮度1.8 107cd / m， 光源尺寸1010mm投影系统光能透过率为0.5，请进行系统外形尺寸计算。要求：1 投影物镜采用天塞型物镜，请设计选择合适的镜头；2 要计算并标出投影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方 焦点的位置；3 要给出投影物镜的视场角；4 照明系统采用两片平凸透镜组成、凸面相对的结构作为聚光镜，（每片透镜厚度10mm，透镜间距0.5mm）；照明方式为柯拉照明方式；要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径（聚光镜的最后一面距胶片的距 离取为10mm，聚光镜像方主面距聚光镜的最后一面的距离为-8mm）；7 要标出光源的位置；8 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式， sin U = ：s in U ; b.光瞳放大率、二,d 为出瞳直径，D为入瞳直径； c.镜头参数选取参考 李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大 学出版社，1990” ;d.注意投影镜头是照相物镜倒置使用）练习题十三一电影放映系统，放映放大率- -120，胶片尺寸为b h = 18 24mm,投影物镜到屏幕距离l = 20m，屏幕照度大于200lx，光源尺寸10 10mm,请进行 系统外形尺寸计算。要求：1 放影物镜采用匹兹万（或称匹兹伐尔型）型物镜，请设计选择合适的镜头（相 对孔径1 2）；2 要计算并标出放影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方 焦点的位置；3 要给出放影物镜的视场角；4 要给出光源所需亮度（系统光能透过率取成0.5）；照明系统采用球面反射镜作为聚光镜； 照明方式为临界照明方式；7 要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径；8 要标出光源的位置；9 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式，sin U = sin U ;b.光瞳放大率-z二D ，D 为出瞳直径，D为入瞳直径；c.镜头参数选取参考李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”； d.注意投影镜头是照相物镜倒置使用）练习题十四一投影系统，投影放大率- -10，所用胶片尺寸为b h = 6060mm,投影物镜到屏幕距离I = 1100 mm,屏幕照度大于100lx，光源尺寸20 20mm,投影 系统光能透过率为0.5,请进行系统外形尺寸计算。要求：1 投影物镜采用相对孔径1： 3左右的双高斯物镜，请设计选择合适的镜头；2 要计算并标出投影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方 焦点的位置；3 要给出投影物镜的视场角；4 要给出光源所需亮度；照明系统采用两片平凸透镜组成、凸面相对的结构作为聚光镜，（每片透镜厚度15mm，透镜间距0.5mm）;照明方式为柯拉照明方式；7 要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径（聚光镜的最后一面距胶片的距离取为10mm，聚光镜像方主面距聚光镜的最后一面的距离为-8mm）；8 要标出光源的位置；9 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式， sin U = ：s in U ; b.光瞳放大率：z =Dd，D 为出瞳直径，D为入瞳直径； c.镜头参数选取参考 李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大 学出版社，1990”； d.注意投影镜头是照相物镜倒置使用）练习题十五背景：医学内窥镜的种类很多，其中硬管镜是指将物镜所成的像通过一组或多组 共轴的透镜转像系统中继出来，然后将较小的像面放大到 CCD靶面上获取图像， 或者直接通过目镜观察。其中前端的物镜和转像系统部分要求口径越小越好，以减小对人体的创伤，而后面的图像放大系统或目镜则可以适当增大。要求：请设计一硬管镜成像光学系统，需满足（1）物镜视场角90?,相对孔径 1:4; （2）物镜加转镜总长220mm，口径小于4mm （去掉机械遮挡，通光孔径小 于3.6mm）;（3）采用1/2英寸CCD获取图像。请计算物镜、转镜、放大系统的 基本参数，选择初始结构形式，并将数据输入Code V或Zemax等光学软件优化、 验证。（提示：物镜需采用像方远心光路,转镜采用对称形式远心光路且通过计算选取最少的转镜组）参考书：1. 郁道银，谈恒英，工程光学（第 3版），北京：机械工业出版社，20112. 张以谟，应用光学（第3版），北京：电子工业出版社，200819903. 李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社,