課程設(shè)計最新

1、課程設(shè)計說明書題目：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)孔徑光闌的選擇及各光學(xué)元件入射高的計算所屬課程：應(yīng)用光學(xué)姓名：郭巨學(xué)號級：光電信息科學(xué)與工程1301班指導(dǎo)教師：秦華目錄一、 設(shè)計目的 1二、設(shè)計題目 1三、技術(shù)要求 1 3.1 概論 13.2 符號說明 2四、投射高與通光口徑的計算 2 4.1 孔徑光闌不同位置時各光學(xué)元件上投射高的計算 2 4.1.1 2 4.1.2 54.1.3 64.2 通光口徑的計算 7五、孔徑光闌的選擇 7 六、總結(jié) 8 一、 設(shè)計目的由于孔徑光闌是限制軸物點(diǎn)成像光束寬度、并有選擇軸外物點(diǎn)成像光束位置作用的光闌，在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，孔徑光闌位置的不同會引起最佳通光

2、口徑大小的改變，以及出瞳的距離。然而光學(xué)系統(tǒng)出瞳的距離是有一定限制的，一般出瞳距不能短于6mm。1） 通過位于不同位置的孔徑光闌的計算，來分析光闌的位置對于出瞳距離的影響；2） 了解通光口徑與各個光學(xué)元件投射高之間的關(guān)系，進(jìn)一步來選擇孔徑光闌的位置；3） 觀察各個光學(xué)元件之間的關(guān)系，分析每個元件的作用，并且驗(yàn)證滿足光瞳銜接原則。二、 設(shè)計題目：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)孔徑光闌的選擇及各光學(xué)元件入射高的計算三、 技術(shù)要求3.1 概論雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是由一個物鏡，一對轉(zhuǎn)向棱鏡，一塊分劃板和一組目鏡構(gòu)成的，如圖所示：其中相關(guān)的光學(xué)數(shù)據(jù)如下：視覺放大率：G=；視場角：2=8°30出瞳直徑：D=5mm出瞳距離

3、：11mm物鏡焦距：=108mm目鏡焦距：=18mm視場角2的含義是遠(yuǎn)處物體直接對人眼的張角，也是遠(yuǎn)處的物體對望遠(yuǎn)鏡中心的張角。如果，將上圖中的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行簡化，把物鏡、目鏡當(dāng)做薄透鏡處理，暫時不考慮棱鏡并且拉直光路，得到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的簡化圖。（如圖1所示）圖1一般兩個光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用共同工作的時候，大多遵從光瞳銜接原則，即前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合，否則會產(chǎn)生光束切割現(xiàn)象，即前面系統(tǒng)的成像光束中有一部分被后面的系統(tǒng)攔截，不再能夠參與成像。所以說，滿足光瞳銜接原則的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的出瞳，應(yīng)在目鏡后且與目鏡最后一面有段距離，這段距離被稱為出瞳距，用表示。在實(shí)際使用，為了避免眼睛睫毛與目鏡最后一個

4、表面相碰而引起不必要的誤差，系統(tǒng)的出瞳距不能夠太短，一般不能短于6mm。為滿足出瞳在目鏡之外的要求，孔徑光闌必須放在分劃板的左側(cè)。于是，首先假設(shè)孔徑光闌分別安放在如下三個地方，通過分析比較三組相關(guān)的數(shù)據(jù)來確定孔徑光闌的位置：1） 物鏡左側(cè)10mm； 2）物鏡上； 3）物鏡右側(cè)10mm。然后，為了排除上述假設(shè)的特殊性，分別假設(shè)孔徑光闌與物鏡的位置差的絕對值為40mm、2.5mm時情況，分析結(jié)果并且分析原因來總結(jié)產(chǎn)生差異的原因。3.2 符號說明符號含義Dw物鏡的通光口徑Df分劃板的通光口徑Df目鏡的通光口徑Lz出瞳距Hw在物鏡上的投射高Hf在分劃板上的投射高Hm在目鏡上的投射高四、 投射高與通光口

5、徑的計算4.1 孔徑光闌不同位置時各光學(xué)元件上投射高的計算4.1.1A)當(dāng)孔徑光闌位于物鏡左側(cè)，此時孔徑光闌也作為系統(tǒng)的入瞳。追跡一條過光闌中心的主光線，可以得到光線在物鏡、分劃板和目鏡上的投射高度。（如圖所示）圖2如圖，在物鏡上的投射高=-lztan(-)=-10*tan（-4.25°）=0.743mm; 光線穿過物鏡后角度的變化： tan=tan+ /=0.0674 ; 在分劃板上的投射高：=+tan（-）=8mm；在目鏡上的投射高：=-(-)tan()=9.2354mm; 光線經(jīng)過目鏡后的角度變化：tan=tan+/=-0.0674+9.2354/18=0.4457; 出瞳距：

6、=/tan=20.7mm。B）當(dāng)孔徑光闌位于物鏡上時，（如圖3所示）圖3沿著主光線追跡可以得到，主光線穿過目鏡與光軸的交點(diǎn)，故物鏡上投射高為0，即=0,在分劃板上的投射高：=tan（-）=8mm； 在目鏡上的投射高：=（-）tan（-）=9.35mm； 光線經(jīng)過目鏡后發(fā)生角度的變化：tan=tan+/=tan+9.35mm/18mm=0.445；出瞳距離：=/ tan=9.35/0.445=21mm。C）當(dāng)孔徑光闌位于物鏡右側(cè)時，追跡過光闌中心的主光線，可以得到光線在物鏡、分劃板和目鏡上的投射高度。（如圖4所示）圖4由于此時入瞳會到目鏡的右側(cè)，要想求得光線經(jīng)過孔徑光闌中心處的角度，需要利用高斯

7、公式來進(jìn)行計算得到入瞳和孔徑光闌之間的距離，得1/-1/=1/108。故光線在物鏡上的投射高：=*tan（-）=11mm*(-0.0743)=-0.82mm ; 光線經(jīng)過物鏡的角度變化： tan=tan+/ （tan=tan（-） ;在分劃板上的投射高：=（-）tan= 8mm ；光線經(jīng)過分劃板的時候不改變角度，所以在目鏡上的投射高：=9.51mm ；光線經(jīng)過目鏡后的角度變化： （=）; 出瞳距：=21.3mm。 4.1.2 上述1中討論孔徑光闌與物鏡之間的距離為10mm的情況，在雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中存在著特定性，不具有數(shù)值參考的普遍性。因此，考慮到孔徑光闌與物鏡之間的距離大小，假設(shè)孔徑光闌與物鏡

8、距離0.5mm；20mm；30mm；50mm時，利用1中的公式定理來求得光線在各個光學(xué)元件的投射高。這里利用MATLAB中的程序來進(jìn)行計算，方便計算求得結(jié)果。當(dāng)孔徑光闌位于物鏡左側(cè)時追跡主光線類似1中步驟。具體的程序如下：l(1)=40;l(2)=10;l(3)=2.5; omega=4.25;uw=-omega; fwpie=108;fmpie=18; k=length(l); for i=1:k end hw(i)=(-l(i)*tand(-omega) uwpie(i)=tand(uw)+hw(i)/fwpie; hf(i)=hw(i)-fwpie*uwpie(i) hm(i)=hw(i

9、)-(fwpie+fmpie)*uwpie(i) umpie(i)=uwpie(i)+hm(i)/fmpie; lpie(i)=hm(i)/umpie(i) dw(i)=2*hw(i)+30 df(i)=2*hf(i) dm(i)=2*hm(i)+5得到如表1所示結(jié)果：40mm10mm2.5mmHzw2.97250.74310.1858Hzf8.02588.02588.0258Hzm8.86809.23969.3325Lpie19.888920.722220.9306Dw35.945031.486330.3716Df16.051616.051616.0516Dm22.736023.479123

10、.6649表3.2.1假設(shè)孔徑光闌在物鏡的右側(cè)的時候，首先需要根據(jù)高斯公式來進(jìn)行入瞳位置的計算，然后才能夠計算出光線在各個光學(xué)零件上的投射高。具體的程序如下：l(1)=40;l(2)=10;l(3)=2.5;omega=4.25;uw=-omega;fwpie=108;fmpie=18; k=length(l); for i=1:k lr(i)=1/(1/l(i)-1/fwpie); end hw(i)=lr(i)*tand(-omega) uwpie(i)=tand(uw)+hw(i)/fwpie; hf(i)=-(fwpie-l(i)*uwpie(i) hm(i)=-(fwpie+fmpi

11、e-l(i)*uwpie(i) umpie(i)=uwpie(i)+hm(i)/fmpie; lpie(i)=hm(i)/umpie(i) dw(i)=2*abs(hw(i)+30 df(i)=2*hf(i)dm(i)=2*hm(i)+5得到結(jié)果如表2所示：（單位：mm） 孔徑光闌與物鏡之間距離光學(xué)參數(shù)40mm10mm2.5mmHw-4.7211-0.8190-0.1902Hf8.02588.02588.0258Hm10.15039.49999.3951Lpie22.764721.306121.0711Dw39.442131.637930.3804Df16.051616.051616.0516

12、Dm25.300523.999823.7902表2由上述表格展示的結(jié)果可以得知，當(dāng)孔徑光闌與物鏡的距離為40mm和2.5mm時，仍然滿足物鏡的通光口徑都是最大的。盡管改變了孔徑光闌與物鏡之間的距離，但是，出瞳距總是相差不大的。由此看出孔徑光闌與物鏡之間的距離大小對出瞳距的大小影響不大。4.1.3以上1、2分別在其他因素不變的情況下，就雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的特定性和普遍性進(jìn)行了討論和分析，得到了物鏡的通光口徑無論在何種光闌位置情況下都是最大且出瞳距離均滿足預(yù)定要求的結(jié)論。然而，實(shí)際生活中不可能一直存在視場角一致的情況，實(shí)驗(yàn)中如果改變一下光線入射雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的視場角呢？它會不會引起結(jié)論的變化，對望遠(yuǎn)鏡

13、系統(tǒng)的出瞳距大小有沒有影響？為了解決這個問題，改變初始數(shù)據(jù)中入射光線的市場角，追跡主光線來進(jìn)行各個光學(xué)元件上的投射高的計算以及出瞳距等的計算。利用MATLAB中的算法功能，類似上述2，僅僅改變視場角。這里我們使得=10°進(jìn)行計算來分析結(jié)果，得到孔徑光闌與物鏡距離大小位置與物鏡通光口徑Dt之間的關(guān)系，（如表3所示） 光闌與物鏡距離大 小闌位40mm10mm2.5mm孔徑光闌位于物鏡左側(cè)44.1062mm33.5265mm30.8816mm孔徑光闌位于物鏡上30mm30mm30mm孔徑光闌位于物鏡右側(cè)52.4039mm33.8864mm30.9025mm表3與=4.25°時相比

14、，當(dāng)孔徑光闌位于物鏡上，物鏡通光口徑大小保持不變；孔徑光闌位于物鏡左側(cè)或者右側(cè)的時候，物鏡的孔徑光闌則發(fā)生了很大的變化。4.2 通光口徑的計算各個光學(xué)零件的通光口徑可以通過公式來求得。其中，是軸上點(diǎn)邊光在光學(xué)零件上的投射高度。當(dāng)孔徑光闌與物鏡的距離相差10mm的時候，經(jīng)過計算得出各個光學(xué)元件的通光口徑（如表4所示）。（單位：mm） 參數(shù)闌位DwDfDmLz孔徑光闌在物鏡左側(cè)31.5mm16mm23.5mm20.5mm孔徑光闌在物鏡位置上30mm16mm23.7mm21.0mm孔徑光闌在物鏡右側(cè)31.6mm16mm24.0mm21.3mm表4五、孔徑光闌的選擇通過分析雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中孔徑光闌處于不同位置時，對系統(tǒng)的出瞳距和通光口徑影響的討論?？梢钥闯鲆雽?shí)現(xiàn)出瞳距等的預(yù)定要求，且盡量使通光口徑大小滿足用戶的方便需要，就只能孔徑光闌處于物鏡一致的位置。這樣，既能夠滿足出瞳距1