工程光学综合练习题.docx
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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：
lF20.35f2;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：
lF20.35f2;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:
4~1:
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：
⑴物镜、目镜焦距f。
'、fe';
⑵入瞳距lz;
⑶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:
4~1:
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;
⑶入瞳距lz；
⑷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:
4~1:
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'；
⑵入瞳距lz；
⑶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CodeV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1^m，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；=60'310-4rad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bh=2436mm,屏幕尺寸为bh=1.32m，投影物镜到屏幕距离I八=16m,屏幕照度大于100lx，光源亮度1.8107cd/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）；
⑸照明方式为柯拉照明方式；
⑹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，sinU=：
sinU;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bh=1824mm,投影
物镜到屏幕距离l=20m，屏幕照度大于200lx，光源尺寸1010mm,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》12）；
[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）；
⑸照明系统采用球面反射镜作为聚光镜；
⑹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，sinU=sinU;
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bh=6060mm,投影
物镜到屏幕距离I•=1100mm,屏幕照度大于100lx，光源尺寸2020mm,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；
⑸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）;
⑹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，sinU=：
sinU;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CodeV或Zemax等光学软件优化、验证。
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，2011
2.张以谟，应用光学（第3版），北京：
电子工业出版社，2008
3.
1990
李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：
北京理工大学出版社,
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