北交大工程光学设计第一次大作业-路基设计

研究报告 小组成员 执笔人 研究报告 1 假定测量系统使用单透镜 给定其焦距为 500mm 口径为 25mm 请利用 Zemax 软件设计并模拟出成像光路结构 并给出三个 CCD 探测器的大概位置所在 答 1 利用 Zemax 进行建模 模拟出成像光路图 在确定视场时 由于 Zemax 的默认方向中 x 轴正方向纸面朝里 不便于观察 因此将三个测量桩放置 在 y 轴上 确定视场时选择 物高 一项 y 轴的值分别输入 0 6000 6000 权重均为 1 Zemax 程序中的参数如下 成像光路图如下 扩大后的细节图如下 所用单透镜的焦距为 500mm 孔径为 25mm 第一个面的曲率半径为 838 89mm 第二个面的曲率半径为 194 01mm 透镜厚度为 10mm 实验中光的波长为 550nm 2 观察成像光路图可得 三个测量桩在像平面上成像点的坐标为 0 0 493 90 0 191 85 493 90 0 191 85 493 90 因此三个 CCD 探测器的大概位置坐标为 现实中以测量桩分布方向为 x 轴 0 0 493 90 191 85 0 493 90 191 85 0 493 90 因此若不计透 镜厚度 三个 CCD 探测器位于透镜后 493 90mm 处 相邻两透镜之间的距离为 191 85mm 2 若路基沉降 1mm 在 CCD 上将探测到多少位移 答 1 先分析测量表面沉降的原理 点光源设置在测量桩上 测量桩埋设在路基表面处 当路基沉降时 测量桩随 之沉降 安装在测量桩上的点光源也会发生相应的位移 透镜与 CCD 探测器一 起组成测量装置 设置在无沉降或沉降量非常小的地点 当被测路基沉降量为 h 时 点光源产生相同的位移值 h 相应的 点光源在探测器上的像点也产生了 一定的位移值 h 如图所示 由三角形相似原理有 dh 其中 d 为点光源与成像透镜中心的水平距离 d 表示成像面与透镜中心的水 平距离 2 在第一问中测量桩距离透镜中心的水平距离为 15005mm 成像面与透镜中 心的距离为 498 90mm 透镜厚度为 10mm 因此当路基沉降 1mm 时 CCD 上可 检测到的位移为 m03 159 48 h 3 利用单透镜成像探测的缺点是什么 有什么解决办法 答 1 缺点 单透镜成像会有一个明显的缺点 就是太容易产生像差 此 次模拟实验产生了球差 彗差 Zemax 模拟实验中的球差 彗差图形如下图所 示 2 解决办法 对球差 最简单的方法是在单透镜前面加一个光阑 只让近 轴光线通过 也可以通过正负透镜的组合来消除 对彗差 也通过改变光阑的 位置 使用组合透镜 设计对称光学系统等方法来解决 4 若如图所示做成测量仪器 其仪器外壳尺寸大概是多少 一般 希望做成的仪器小型化 可采取什么办法 能够将 1 中的系统尺寸 减小 1 由 1 可知 外壳尺寸大概为 长 494mm 宽 384mm 高 30mm 2 怎样将系统尺寸减少 I 设计折叠光路 当光从透镜出来后 使其通过两个平面反射镜后再让 CCD 探 测器接收 如下图所示 通过正负透镜的组合 正透镜在前 负透镜在后 这样主面可以移到装置的 外面 透镜组的总长小于焦距 可以减少系统的尺寸 如下图所示 比较 两种方法 对第一种方法 平面反射镜微小的角度变化就可能导致 目标像点位置的明显变化 甚至使目标像点无法成像在 CCD 的光敏面上 因此 第 种方法更好 5 此问题不用在 zemax 中建模 若用两个透镜进行组合来减小系 统尺寸 并依然满足焦距 500mm 请参考大恒公司 可网上浏览或下载 2016 产品样本 的 透镜型号 进行两块透镜的选择 并给出具体的光路图 答 1 理论计算 可以利用正负透镜的组合来减少系统的尺寸 具体的光路图如下所示 那么在只要在保证焦距为 500mm 的情况下 使组合透镜尺寸 S d Lf 最小即可 不妨设 h1 100mm 有 u1 0 由近轴方程 1u2 h f n diii 1 有 1 0 uffh 2 2 f 且有 12duh fL 由以上公式有 2 0 1 0 hfs f 为了使问题简单 不妨设 则有 2 1f 2 0 1 0s hh 750 201 2 hs 因此当 h2 50mm 时 可使组合透镜尺寸 S 最小 为 375mm 此时 因此需要两个透镜的组合 其中正透镜焦距mf250 1 md5 为 250mm 负透镜为 250mm 两透镜的距离为 125mm 2 参考恒大公司的透镜型号 选择透镜的型号如下表所示 型号 R f fb Tc Te 重量 材质 GCL 010224 30 0 257 544 250 0 248 0 5 0 4 1 9 K9 GCL 010417 30 0 258 993 250 0 251 3 3 5 4 4 7 K9 此时透镜系统总长为 375mm 减小了以前的系统尺寸 符合要求