1、應用光學課程設計指導書何平安編武漢大學電子信息學院2010年3月應用光學課程設計任務書課程設計題目內調焦準距式望遠系統光學設計設計要求內調焦準距式望遠系統是工程用水準儀的照準望遠鏡，其作用是觀察和照準目標。要求儀器體積小、重量輕，便于攜帶，成像清晰，使用和保養方便具體技術要求如下：放大率：r>24黑分辨率：中M4-視場角：2w<1.6°乘常數：k=100加常數：c=0最短視距：Ds_2m筒長：LTE195mm三、設計題綱1、技術參數選擇；2、外形尺寸計算；3、結構選型；4、初始結構參數求解；5、像差校正；6、繪制光學系統圖與光學零件圖;四、計劃進度1、布置任務，專題講座2

2、.0h+2.0h2、參數選擇及外形尺寸計算3.5h+4.0h3、結構選型與初始結構參數求解4.0h+8.0h4、像差校正與像差自動平衡4.0h+8.0h5、目鏡選擇及縮放0.5h+1.0h6、繪制光學系統圖和光學零件圖2.0h+12.0h7、編寫設計報告2.0h+10.0h共計18h+45h五、考核方式考勤與表現+完成任務情況+報告、圖紙評分第一章內調焦準距式望遠系統內調焦準距式望遠系統是各種工程水準儀的主要部件之一，其主要作用是觀察并照準豎立在測站上的水準標尺。照準標尺目標后，通過標尺像上的視距絲，讀取分劃板上視距絲對應的標尺讀數，即可得到標尺到儀器轉軸的距離及標尺與儀器間的高度差。

3、7;1-1望遠鏡的調焦使遠近不同位置的物體都能清晰地成像在望遠鏡的調焦是通過移動光學系統中某光學元件的位置,分劃板上。望遠鏡的調焦有如下二種方式：一、外調焦外調焦是通過移動望遠鏡的目鏡和分劃板來實現的，即當觀察有限距離的物體時，將目鏡和分劃板起向后移動適當的距離，使有限距離的物體仍然成像在分劃板上，供目鏡觀察，如圖1-1所示。圖1-1外調焦望遠鏡系統外調焦的優點是結構簡單，成像質量好。缺點是外形大，密封性差。圖1-2內調焦望遠鏡系統1內調焦望遠系統內調焦望遠系統物鏡由兩個光組組成，其中一個稱為主物鏡，一個稱為調焦鏡。在調焦過程中，目鏡和分劃板固定不動，通過移動調焦鏡來實現對遠近不同距離的物體進

4、行調焦。如圖1-2所示。內調焦望遠物鏡的筒長比其組合焦距短，因此，在相同放大倍率的情況下，內調焦望遠鏡比外調焦望遠鏡筒長短。由于其筒長縮短，可以使儀器外形尺寸縮小，結構緊湊，攜帶方便，密封性好。因此，在水準儀、經緯儀、測距儀及全站儀等大地測量儀器中，多采用內調焦望遠鏡作為觀察照準系統。當然，相對于外調焦系統而言，內調焦系統的結構相對復雜，加工、裝調要求較為嚴格。2內調焦系統的調焦量調焦鏡在調焦過程中的最大移動量稱為調焦量。當觀察從無窮遠到有限遠最短視距處的物體時,li=f1,則:統的調焦量可以通過如下兩步分析確定。1）當對無窮遠調焦時，因為11=-612=卜金=f1-d0(1-1)把物像關系的

5、高斯公式用于調焦鏡，即:得:lF=l2=11l7-|Z1f2(1-2)f1-d0f1f2-dof；=f121-：0,<f1J(1-3)L=lF于是，物鏡的筒長為:(1-4)2）當調焦至有限遠距離-1時，先求出物體經過主物鏡L1的像距1。移動調焦鏡L2,使所成像落在分劃板上，這時，分劃板到主物鏡的距離為d,則系統的調焦量為：Ad=d-d。（1-5）由于d=L-1'2,將其與（1）式一起代入調焦鏡物像公式（2）,則有：111=11-df2L-d從中解出d,得：d=；IL-,1；-L11-L4f21（1-6）若以1尸-Ds的像距1；代入，求得d,即可由（1-5）式求得調焦鏡的最大移動范

6、圍。§1-2光學測距原理光學測距原理與測距方程為簡單起見，我們以外調焦系統來分析說明光學測距原理。如圖1-3所示，標尺BC位于離儀器轉軸O距離為D的測站A點處，成像在分劃板上。分劃板上刻有十字絲和一對水平視距絲，上下兩視距絲的間距是一定的。十字絲用于照準標尺，視距絲用于讀取標尺上的讀數。設視距絲的間距為b上下視距絲在標尺上讀數之差為b,標尺到物鏡主面的距離為1。由圖中幾何關系有：圖1-3光學測距原理D=1+6(1-7)由圖中相似三角形的關系，有：b_-l-(-f)_-1-f-b-ff得：-1-.ffb代入(1-7)式，得測距方程為：D=k|b|+c(1-8)f.式中：k=1稱為乘常數

7、，c=6+f稱為加常數。6為儀器轉軸到物鏡后主面H'的距離。b由于k和c都是已知的常數，因此，只要在分劃板上讀出上下視距絲在標尺上的讀數差b,就可以求出標尺到儀器的距離D了。(1-8)式的形式，只是乘常數準距系統及準距條件對于內調焦系統，測距方程仍然可以寫成(1-9)加常數，一c=b|+SJ(1-10)b式中，f0為物鏡組調焦至無窮遠時的系統焦距，AP=f-f%為對有限距離的物體調焦后物鏡組焦距的變化量，f為調焦后物鏡組的焦距。這里，加常數c在調焦過程中是變化的。為了測距的方便，最好使加常數c=0。乘常數k一般取100或50,因此，所測距離D可直接由分劃板上的標尺讀數而得。由于在調焦過

8、程中，加常數c是變化的，不能嚴格地滿足c=0的條件，但要滿足c5t0還是容易實現白我們把c球0稱為準距條件，滿足準距條件的系統稱為準距系統。由c=0可以推導出準距條件的表達式：*L-2d0=0(1-11)0'f1即滿足準距條件，加常數c：.0,這時測距方程簡化為：D=kb(1-12)從而使測距過程簡化，如k=100,若讀得|b|=43.5cm,則得D=43.5m。圖2-1DSZ2自動安平水準儀實物第二章參數選擇與外形尺寸計算光學設計一般是從技術參數的選擇與確定開始的。技術參數確定后，擬定系統方案，即確定系統的組成，而后進行外形尺寸計算，確定各組成光學元件的焦距、通光孔徑及各元件之間的間

9、隔，為系統結構參數求解和像差校正打好基礎。技術參數選擇得與否合理、方案擬定得是否合理，直接關系到光學系統設計的成敗，影響光學系統的結構性和工藝性。光學設計是一個工程性問題，并不片面追求設計結果的先進性，即只要滿足設計的基本要求就行。在滿足基本設計要求的前提下，盡量做到結構簡單、緊湊，具有良好的工藝性，成本低。§2-1內調焦望遠系統參數的確定一、望遠鏡的縮短系數Q內調焦望遠系統一個顯著的優點是能縮短筒長，即物鏡的筒長比其組合焦距要短。為滿足體積小、重量輕，便于攜帶的要求，應使望遠鏡的筒長盡可能短。下面我們會看到，筒長并不是越短越好。為便于研究筒長與焦距的關系，我們定義一個縮短系數Q:Q

10、=-7-(2-1)fl2表征內調焦望遠鏡長的縮短程度。二、內調焦準距式望遠系統應滿足的條件內調焦準距式望遠鏡系統應滿足如下條件：1、系統組合起來的總光焦度中12與主物鏡、調焦鏡的焦距與間隔應滿足：12=1+，金22、物鏡的筒長滿足關系式(4),即：dCLlf+d0=d0+31-;If1J3、準距條件(1-11)式，即：rL-2d。+f1,=0/f4、儀器支撐起來的平衡問題。水準儀的望遠鏡支撐在一個回轉軸上，可以在水平面內360范圍內作任意角度的旋轉，要求旋轉平穩可靠。因此，望遠鏡的支撐必須平衡。顯然，從總體結構上看，整個望遠鏡的重心應偏向于主物鏡一方，考慮目鏡組對主物鏡的平衡，我們把儀器轉軸設

11、在L/2處，即主物鏡后主面到儀器轉軸的距離：1S=L（2-2）2聯立上述四個方程式，并考慮縮短系數的定義式，則可解得：fl22L(2-3)J(1-Qj+16-(1+Q)L+f2<L+2f/Jf'12、門、f'2、d0、f'3、l'F和調焦鏡取不同的筒長L和縮短系數Q值，通過式（2-3）便可以計算一系列的的軸向放大率微。三、主要參數的確定這里取F=-241取不同的筒長L和縮短系數Q,根據上述公式（15）計算的結果列表2-1。表2-11=-24L=150mmQf12f1d0f2f3*(2)I20(20.55272.73121.2098.16-41.4711.3

12、651.84P23.045.0610.60250.00123.9798.36-50.8010.4251.6525.614.080.65230.77126.8398.56-62.769.6251.4428.273.310.70214.28129.8098.77-78.718.9351.2231.032.720.75200.00132.8798.97-101.008.3351.0333.092.250.80187.50136.0599.17-134.407.8150.8336.881.90L=160Qf12f1d0f2f3l'F(l2)I2口20.55290.91129.28104.71-

13、44.2212.1255.2924.575.060.60266.67132.23104.92-54.1711.1155.0827.314.080.65246.15135.29105.14-66.9410.2654.8630.153.310.70228.57138.45105.35-83.959.5254.6433.102.720.75213.33141.73105.57-107.748.8954.4336.162.250.80200.00145.12105.78-143.378.3354.2239.341.90L=170Qf12f1d0f2f3l*F(l2)I2為0.55309.09137.3

14、6111.25-46.9912.8858.7526.115.060.60283.33140.50111.48-57.5711.8058.5629.024.080.65261.54143.74111.71-71.1110.9058.2832.033.310.70242.86147.11111.94-89.2010.1258.0635.172.720.75226.67150.59112.17-114.479.4457.8338.422.250.80212.50154.20112.40-152.368.8557.6041.801.90L=180Qf12f1d0f2f31*f(12)I2%0.5532

15、7.27145.44117.80-49.7513.6462.2027.645.060.60300.00148.76118.04-60.9412.5061.9530.724.080.65276.92152.20118.26-75.3111.5461.7233.923.310.70257.14155.76118.52-94.4610.7161.4827.242.720.75240.00159.45118.76-121.2410.0061.2440.692.250.80225.00163.26119.01-161.269.37560.9844.251.90上述計算表明:1、為了使儀器結構緊湊，必須縮

16、短儀器筒長。縮短筒長L,竹、f'2、f'3減小，導致各透鏡組的相對孔徑D/f將增大。透鏡組相對孔徑的增大，將使像差校正困難，或使結構復雜，成本增加。因此，儀器筒長L不宜術小。2、當筒長L一定時，希望一定筒長所能獲得的組合焦距f'i2越大越好，即縮短系數Q越小越好。Q越小，fl、f2就越小，從而Di/竹和D2/f2增大，且口2增大，主物鏡的剩余像差經調焦鏡后將被放大1.2倍，于像差校正是不利的。另一方面，Q越大，f12和f3就越小，但目鏡的焦距不能太小，否則，目鏡的鏡目距小，影響觀察。綜上所述，應該取適當的L和Q。作為例子，我們取：7=-24:L=170,Q=0.65fi

17、2=261.54,do=111.71fi=143.74,f2=-71.11,f3=10.90由于計算誤差和取舍誤差，亦或計算錯誤，有可能使得加常數C#0。因此，必須檢驗加常數是否為0。檢驗公式為：-2c=f；+SL-f1-2f2-4f22(2-4)將所確定的參數代入，得:c=0.00254由此可見，系統滿足準距條件，其所引起的測量誤差可以忽略不計。參數確定后，就可以進行外形尺寸計算了。§2-2內調焦望遠系統外形尺寸計算一、物鏡通光孔徑及出瞳大小這里，我們把孔徑光闌設置在物鏡框上，視場光闌設置在分劃板上。這樣，入瞳與物鏡框重合，出瞳在目鏡后焦點以外靠近焦點的地方，入窗和出窗均在無窮遠。

18、為了滿足分辨率的要求，即”4由140140D=二35mm另一方面，由r=烏可知，一定時，出瞳D'隨D的增大而增大。D的增大，即物鏡通光孔徑增大,使儀器外形增大。當f；一定時，物鏡的相對孔徑D"f'1也隨之增大，物鏡的高級像差增大，像差校正困難。通常，用于大地測量儀器的望遠鏡系統，為了提高測量精度，出瞳直徑D'=1.5mm,則：D'=1.31.5mm,一般取D=-：D_241.5=36mm因此，取入瞳直徑，即物鏡的通光孔徑D=36mm,對應的出瞳直徑D'=1.5mm。二、調焦鏡的通光孔徑如圖2-5所示，調焦鏡的通光孔徑D2由軸外物點的上光線的入射

19、高度確定。由圖中三角關系，有：D-2-y；D1/2-D2/2f而：y1=f1tgw則得調焦鏡的通光孔徑：D2=D1-d0(D"f1-2tgw)圖2-5調焦鏡的通光孔徑=36-111.71(36/143.74-2tg0.8)=11.14mm三、分劃板直徑及視距絲間隔由于場闌與分劃板重合，所以分劃板的通光孔徑即為場闌直徑，即:Dp=D場=2f'12tgw=2261.54tg0.8=7.30mm根據乘常數的定義:得視距絲間隔f12k261.54100=2.615mm四、像方視場角、出瞳距和目鏡孔徑1、像方視場角由r=4得：tgwtgw=-tgw=24tg0.8=0.33512499

20、所以像方視場角2w=37.05口。2、出瞳距出瞳距的確定可由入瞳逐面用成像公式計算而得:因lz1=0,所以lZ=0,12圖2-6目鏡的成像光路lz2=lz1-d0=-111.71于是得出瞳距為:lz21z2f2=-43.451z2f1z3=1z2=lz2-L-d0f3=-112.641z3f31z=1z3=iTT=12.07mm3、目鏡的通光孔徑由圖2-6可得，目鏡的通光孔徑為:D3=D21ztgw=1.5212.0724tg0.8=9.594、目鏡的視度調節為了適應不同視力的人眼觀察的需要，目鏡應具備視度調節功能。目鏡的視度調節范圍一般取,5個折光度，它是通過目鏡相對于分劃板前后移動一定和距

21、離來實現的。移動范圍為：因此，視度調節時，目鏡的最大五、調焦鏡的調焦移動量在調焦過程中,體能調焦清晰。一喘二力黑6調焦鏡沿光軸前后移動，其移動量必須保證對無窮遠至有限遠最短視距范圍內的物般情況下，調焦鏡的初始位置對應無窮遠物體,因此，只須計算出物體在有限遠最短視距處調焦鏡的位置，就可以確定出調焦鏡的移動量。取1i=-2000mm,由物像關系的高斯公式，計算得lz=154.87。由公式（1-6）計算得:d41L-.11-L11-L4f2=128.77mm于是得調焦鏡的調焦量:&=d-do=128.77-111.71=17.06mm§2-3光學元件的裝夾與全直徑光學元件在系統中還

22、必須通過機械結構的裝夾來實現定位與固定。結構裝夾，必須保證通光的孔徑，如圖2-7所示是某S3水準儀的裝配圖。顯然，光學元件的全直徑比通光孔徑要大。上面計算的是各光學元件（透鏡組）的通光孔徑D通，還必須根據裝夾方式不同，確定一定的裝夾余量,從而確定各光學元件的全直徑D全，即：D全=口通+透鏡的裝夾方式有兩種，即壓圈法和滾邊法。通光孔徑是指光學元件通過機械圖2-8壓圈法裝夾方式一、壓圈法如圖2-8所示，透鏡靠鏡筒內的臺階定位，從外面用壓圈壓緊固定。壓圈法裝夾往往用于較大或大透鏡的安裝，如照相鏡頭和望遠鏡的裝夾。壓圈法固定便于拆卸、調整，是常用的裝夾方式。滾邊法圖2-7S3水準儀的裝配圖如圖2-9所

23、示，滾邊法的固定是將透鏡放入鏡筒后，用擠壓的方式將薄的鏡筒壁變形，將透鏡“包”在鏡筒內，實現定位與夾緊，其特點是固定穩定可靠，但不能拆卸和調整。常用于較小透鏡或不便用壓圈法固定的元件，如顯微物鏡、針孔透鏡、手機數碼鏡頭等的固定。圖2-9滾邊法裝夾方式根據透鏡的裝夾方式和透鏡通光孔徑的大小，光學零件的外徑余量見表2-2所示。表2-2光學零件的外徑余量（mm）通光孔徑Dt外徑Dq通光孔徑Dt外徑Dq滾邊法固定壓圈法固定滾邊法固定壓圈法固定到6D+0.6一>30-50D+2.0D+2.5>6-10D+0.8D+1.0>50-80D+2.5D+3.0>10-18D+1.0D+1

24、.5>80-120一D+3.5>18-30D+1.5D+2.0>120一D+4.5本設計中透鏡采用壓圈法固定，根據表2-2,我們確定各透鏡的外徑列入表2-3。表2-3內調焦準距式望遠鏡各光學元件的外徑主物鏡調焦鏡分劃板目鏡通光孔徑3611.147.309.59夕卜徑38.512.78.310.6§2-4光學系統的像差校正方案與結構選型外形尺寸計算完后，在進行初始結構參數求解前，還必須確定光學系統的像差校正方案，確定各光組的結構選型，這兩個問題至關重要，涉及光學設計的成敗與光學系統的性能。這里作一簡單介紹。一、像差校正方案的確定如果一個系統由幾個光組組成，如本設計中的

25、內調焦準距式望遠鏡系統由主物鏡、調焦鏡和目鏡三個光組組成，那么，既可以對整個系統進行像差校正，這時各光組之間的像差相互抵消，相互平衡；也可以對其中的各個光組各自單獨校正像差，進而達到整個光組校正像差的目的；還可以其中某幾個光組消像差，其他光組單獨消像差。這樣，同一個系統，就會有不同的像差校正方案。不同的像差校正方案所獲得的結果是不同的。對于目視系統，如望遠系統和顯微系統，往往是對物鏡和目鏡單獨校正像差，即物鏡與目鏡之間沒有像差補償關系，像質互不影響。對于內調焦望遠系統的物鏡，主物鏡和調焦鏡通常也是單獨校正像差的。因為在調焦過程中，調焦鏡的位置在變化，如果調焦鏡與主物鏡之間有像差補償，那么調焦鏡

26、位置的變化，將會引起像差很大的變化，會嚴重影響系統的成像質量。二、系統的結構選型像差校正方案確定后，必須根據單獨校正像差的系統或光組的光學特性選擇適當的結構型式。所謂系統的光學特性，對于望遠物鏡而言，即其相對孔徑D/f'、焦距f'和視場角2w表示，這些參數決定了望遠系統的分辨率、像的主觀亮度和系統的外形尺寸。對于目鏡而言，其光學特性由焦距f'、視場角2w'、出瞳直徑D'、相對鏡目距p7f和工作距離lz決定。一定結構型式的光學系統，只能滿足一定光學特性的像質要求。因此，光學系統光學特性要求的提高，必然伴隨著系統結構的復雜化。下面，以折射式望遠物鏡的結構型式為例來說明。折射式望遠物鏡的結構型式通常有雙膠合物鏡、雙分離物鏡和三片式物鏡三種基本結構型式：雙膠合物鏡如圖2-9a）所示，在適當選擇玻