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1、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
2、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
3、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=-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，其后工作距和焦距有如下近似关系：；前工作距。）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=-8X，视场角2=4，出瞳直径D=5mm，目镜焦距f2
4、=25mm；另有一对称式双透镜转像系统，两透镜之间的距离为80mm，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，其后工作距和焦距有如下近似关系：；前工作距。）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=-6X，视场角2=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
5、光束限制情况等）。（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距和焦距有如下近似关系：；前工作距。）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=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l
6、z=10mm。请计算伽利略望远镜的外形尺寸，包括：(1)物镜、目镜焦距、；(2)入瞳距；(3)入瞳直径；(4)无渐晕时物方和像方视场角、；(5)目镜的通光孔径。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
7、，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；(2)物镜通光孔径；(3)入瞳距；(4)入瞳直径；(5)50%渐晕时物方和像方视场角、；(6)目镜的通光孔径。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
8、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，相对孔径取1:4，出瞳直径，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、；(2)入瞳距；(3)入瞳直径；(4)完全渐晕时物方和像方视场角、；(5)目镜的通光孔径。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
9、F8，视场角2=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 分辨率小于1mm，共轭距，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
10、）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 分辨率小于1mm，共轭距，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
11、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b倍后的长度，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1mm。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
12、目镜的放大倍率和焦距；2) 计算显微镜的总放大率G；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 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=-30X，瞄准精度=0.5m；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
13、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=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=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，屏幕尺寸为，投影物镜到屏幕距离，屏幕照度大于，光源亮度，光源尺寸，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
14、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）；5 照明方式为柯拉照明方式；6 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，; b.光瞳放大率，为出瞳直径，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
15、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，胶片尺寸为，投影物镜到屏幕距离，屏幕照度大于，光源尺寸，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）；5 照明系统采用球面反射镜作为聚光镜；6 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，; b.光瞳放大率，为出瞳直径，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，所
