应用光学课程设计-学生.ppt

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1、,应用光学课程设计,北京理工大学光电学院,李林，黄一帆,01068912567李林：黄一帆：,8:00-9:30 李林老师（应用光学实践）9:40-10:40 章婷老师（基础光学实验）10:50-11:50 刘娟老师（全息实验）13:00-13:50 武红老师（光学工艺实习）14:00-15:00 翁冬冬老师（立体显示）15:10-16:10 吴文敏老师（成像光谱仪）16:20-17:30 喻志农老师（干涉薄膜）,光学设计基本介绍棱镜转动定理的学习综合运用应用光学课程内容，进行周视瞄准镜外形尺寸计算，学会典型光学仪器初步设计的一般方法；,火炮周视瞄准镜初步设计,应用光学课程设计,火炮周视瞄准镜

2、初步设计,光学设计基本介绍,第一阶段：根据仪器总的技术要求（性能指标，外形体积、重量及有关技术条件），从仪器各部分（光学、机械、电路、计算机控制）出发，拟定光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸及各部分光学特性（焦距，物距像距，入瞳出瞳位置）等根据初步设计结构，确定每个透镜组的具体结构参数（半径，厚度，间隔，玻璃材料），保证满足系统成像质量的要求,设计一个光学仪器的光学系统大体分为两个阶段:,初步设计，外形尺寸计算,像差设计，光学设计,望远镜外形尺寸计算,对光学系统的要求:1.系统的光学性能和技术条件；2.系统的外形、体积和重量；3.系统的稳定性、牢固性和便于调整；4.对系统成像质量的要求。

3、,光学系统外形尺寸计算的主要内容,1、根据光学特性和外形、体积等要求，拟定光学系统的结构原理图。例如，系统中采用几个透镜组?它们之间的成像关系如何?用什么型式的棱镜系统?各个光学零件位置大体如何安排等等；2、确定每个透镜组的光学特性，如焦距、相对孔径和视场角等；同时确定各个透镜组的相互间隔；3、选择系统的成像光束位置，并计算每个透镜的通光口径；4、根据成像质量和光学特性的要求，选定系统中每个透镜组的型式。,火炮周视瞄准镜初步设计,O1,例如周视瞄准镜：顶部棱镜绕着过O1点垂直于主截面的轴转动，也可以把棱镜绕垂直轴O1O2转动。,O2,棱镜转动定理 目的：为了扩大仪器的观察范围，常常利用旋转平面

4、 镜和棱镜的方法来改变仪器的光轴方向,另外在装配调整中，利用棱镜的转动来调整系统的光轴方向或成像方向的偏差，即“光轴偏”或“像倾斜”。,研究棱镜转动对象空间方向和位置的影响 棱镜转动定理,在物空间不动的条件下，当棱镜绕任意轴转动时，像空间位置和方向的变化。当棱镜在平行光路中工作时(对应成像物体在无限远)，只需要考虑像的方向；如果在非平行光路中工作(对应位在有限距离的虚物或实物)，则既要考虑像的方向，也要考虑像的位置,为表示棱镜转动方向和位置的单位向量 为P在像空间的共轭像,也是一个单位向量。为棱镜的转角，符号规则：当对着转轴向量观察时，逆时针为正，顺时针为负。n为棱镜的总反射次数。,棱镜转动定

5、理：“假设物空间不动，棱镜绕P转，则像空间首先绕P转(-1)n-1然后绕P转”。,棱镜转动定理：假设物空间不动，棱镜绕P转，则像空间首先绕P转(-1)n-1，然后绕P转”。把像空间的转动情况，用先后绕P和P的两次转动来表示。有限转动不符合加法交换律，两次转动的顺序不能颠倒。引入一个代表有限转动的特定符号P。括号内代表转角，它的符号规则如前所述。单位向量P代表转轴的位置和方向。P只是一个表示有限转动的符号，而不能看作是一个向量。,棱镜转动定理可以用上述符号表示如下：A=(-1)n-1P+P 符号A只是作为像空间转动状态的一个代号，没有别的含意。P和(-1)n-1P不是向量，不能按向量运算规则进行

6、向量运算。根据符号的定义，以下两种关系显然成立：1P+2P=(1+2)P（-P）=-P 第一个等式说明，先绕P转1后，再绕P转2，就等于绕P转(1+2)第二个等式则说明，绕(-P)转就等于绕P转-,定理证明 物空间不动，棱镜经绕P转这样一个运动，设想分成两步来实现。第一步：设棱镜不动，物空间绕P转-，如果反射次数n为奇数，系统成镜像，像空间将绕P转；如果n为偶数，物像相似，像空间绕P转-；总的说来，相当于像空 间转(-1)n-1。,-总结果:物空间不动 棱镜绕P转 像空间首先绕P转(-1)n-1,然后绕P转,第二步：物空间和棱镜一起绕P转，像空间显然也绕P转。,第一步：物空间绕P转-棱镜不动

7、像空间绕P转(-1)n-1,第二步：物空间绕P转 棱镜绕P转 像空间绕P转,这样最后总的结果就是：物空间回到了原始位置，棱镜绕P转，像空间首先绕P转(-1)n-1，然后绕P转。,1.上述结论只涉及到棱镜的总反射次数，而并没有涉及棱镜的具体形式，因此它对任意的平面镜棱镜系统都是成立的。2.证明中似乎对转角没有什么限制，但实际上是有限制的。首先，如果转角过大，光线无法进入平面镜棱镜系统 其次对棱镜系统来说，除去反射平面而外，还相当于在共轴系统中加入了一块平行玻璃板，当棱镜在非平行光路中转动，并且转轴和入射光轴又不平行时，棱镜转动以后，入射光轴就不再垂直棱镜的入射面，这就破坏了系统的共轴性。,一、在

8、平行光路中工作的棱镜，绕垂直于棱镜主截面的z轴转动 平行光路中，只需要考虑像空间的方向，而不用考虑其位置 P和P都看作自由向量。根据转动定理 A=(-1)n-1P+P 在没有屋脊面的情形，有 P=z,P=z=z，得：A=(-1)n-1z+z,A,B,C,x,y,z,x,y,z,当棱镜的总反射次数n为偶数时，A=-z+z=0 当棱镜的总反射次数为奇数时，A=z+z=2z 当棱镜绕z轴转时，如果反射次数为偶数，则像空间方向不变，如果反射次数为奇数，则像空间绕z轴转2。和讨论平面镜旋转时结论完全相同。在屋脊棱镜的情形，P=z,P=z=-z，得：A=(-1)n-1P+P=(-1)nz+z 当总反射次数

9、n为偶数时，A=z+z=0 当总反射次数n为奇数时，A=-z+z=2z,x,y,z,x,y,z,x,y,z,y,x,z,二、平行光路中，入射和出射光轴平行，绕入射光轴x转动 1.入射和出射光轴平行同向有P=x,P=x=x 代入符号表示式(6-4)得：A=(-1)n-1x+x 当总反射次数n为偶数时，A=-x+x=0 当总反射次数n为奇数时，A=x+x=2x 入射和出射光轴平行同向，棱镜绕光轴x转，反射次数n为偶数时像不转，反射次数n为奇数时，则像转2。,x,y,z,y,x,z,2.入射和出射光轴平行反向有 P=x,P=x=-xA=(-1)n-1(-x)+x=(-1)nx+x 当反射次数n为偶数

10、时，A=x+x=2x 当反射次数n为奇数时，A=-x+x=0 当入射和出射光轴平行反向，棱镜绕光轴转，反射次数n为偶数时像转2，反射次数n为奇数时像不转。,x,y,z,y,x,z,三、出射和入射光轴垂直，棱镜绕入射光轴转动 有:P=x,P=x 得：A=(-1)n-1x+x 当n为偶数时:A=-x+x 当n为奇数时:A=x+x 当入射和出射光轴垂直时，棱镜绕入射光轴转，如果反射次数为偶数，像空间首先绕出射光轴统-，然后绕入射光轴转；如果反射次数为奇数，则像空间首先绕出射光轴转，然后再绕入射光轴转。,x,y,z,y,x,z,o1,o2,o4,1,2,3,例一 在下图中，棱镜2、3一起绕O1O2转,

11、然后棱镜3再按同一方向绕O4O3转，求出射光轴的方向和像的方向的变化。先确定棱镜转动前的成像方向。属于单一主截面的系统，没有屋脊面，z与z同向。光轴同向，总反射次数为偶数，根据物像相似的关系，y与y也同向。,o3,x,x,棱镜2、3的入射光轴就是O1O2，出射光轴与入射光轴垂直，棱镜2、3一起绕O1O2转，也就是绕入射光轴转。根据前面的结论，棱镜2、3共反射三次，奇次反射，故像平面首先绕出射光轴x转，然后出射光轴再绕O1O2转。,x,y,z,y,x,z,o1,o2,o4,1,2,3,o3,x,x,接着棱镜3再绕O4O3转，由于O4O3和棱镜3的入射光轴反向，相当于棱镜3绕它的入射光轴转-，此时

12、入射光轴和出射光轴垂直，反射一次，故像平面将绕出射光轴转-，然后出射光轴再绕O4O3转。,x,y,z,y,x,z,o1,o2,o4,1,2,3,o3,综合起来，第一次出射光轴绕O1O2转，第二次出射光轴再绕O4O3转，因为O1O2和O4O3同向，所以相当于出射光轴绕O1O2转2，而像平面yz相对于出射光轴没有转动。这个棱镜系统如按上述规律转动可以改变光轴的方向，而像保持不转。,x,x,x,x,x,y,z,y,z,x,例二要求设计一个棱镜系统，入射光轴和出射光轴之间有300mm的潜望高，同时物方光轴0O1能在水平和垂直两个方向上转动，而出射光轴方向维持不变，如图所示，物与像相似，并且永远反向(即

13、物方光轴转动时，像不产生旋转),o1,o2,o,o,为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，可以在光轴上端O1点的位置安置一个直角棱镜，使之绕水平和垂直轴转动。当棱镜绕经过O1点垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕O1O2轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面亦将随之转动。我们要求像平面不转，必须使像面产生个相反方向的转动。由于要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90的棱镜显然不能转动。这样就必须加入一个棱镜，利用它的旋转来补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变。根据前面的规则，在光轴同向的情形，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。,x,y,z,y,z

14、,x,o1,o2,o,o,z,x,y,z,y,x,0-1;0-3;0-5,因此必须在系统中加入下列性能的棱镜：,x,y,z,y,z,x,o1,o2,o,o,顶端的直角棱镜与转像棱镜的反射次数之和为偶数。系统要求物和像反向，入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜的反射次数应为奇数。故可采用一个90-1的直角棱镜，但成“镜像”。为了使物和像相似，必须把上下两个棱镜中的一个反射面改为屋脊面(屋脊面不能加在转像棱镜上，因为这样会使转像棱镜的反射次数变为偶数，则棱镜转动时，像不转)。例如，将下端的直角棱镜用直角屋脊棱镜902代替。从“光学设计手册”中能找到满足上述要求的棱镜，用这些棱镜可以组成4-41所示

15、的五种型式的棱镜系统。,z,x,y,z,y,x,0-1;0-3;0-5,z,x,y,z,y,当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜主截面不动，像面将和棱镜同时转动。当棱镜2单独转动时，像平面的转角等于棱镜转角的二倍。因此，棱镜1和2同时转动，然后把棱镜2按相反方向转/2，即可补偿像的旋转。换句话说，棱镜2的转角应为棱镜1的转角的一半。,1,2,x,一、光学系统的技术要求光学特性：视放大率：,物方视场角：,出瞳直径：D=4mm出瞳距离：,火炮周视瞄准镜初步设计,潜望高H185毫米要求成正像光学系统要实现：俯仰瞄准范围18 水平瞄准范围360俯仰和周视中观察位置不变渐晕系数K0

16、.5,二、设计计算内容1、周视瞄准镜综述查阅相关资料，深入了解周视瞄准镜，原理，用途，种类2、根据要求拟定光学系统的工作原理光学系统基本形式：望远系统光学系统基本结构：物镜、目镜、分划板、保护玻璃。为形成潜望高，俯仰和周视，考虑如何选择棱镜。利用棱镜转动定理确定道威棱镜及转动方向。共轴系统和棱镜系统的组合孔径光阑的确定,3、光学系统的外形尺寸计算选择物镜、目镜的结构型式，计算有关特性参数；相对孔径，焦距计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数；计算端部棱镜，保护玻璃尺寸；（考虑俯仰角度）计算物镜口径；(5)确定底部直角棱镜和分划板尺寸；(6)目镜口径计算；(7)验证出瞳距离和潜望高4、绘制光学系统的原理图,光学系统外形尺寸计算,在初步设计中不考虑系统的像差，根据理想光学系统公式进行计算。同时，由于初步设计的各个透镜组的具体结构尚未确定，因而每个透镜组物方主平面和像方主平面之间的距离无从得知。所以在计算中一律假定物方主平面和像方主平面重合，如图所示,三、要求 两周完成 论文撰写要求语句通顺，叙述清楚，图文并茂，美观大方 引用文献应标明出处 以A4纸打印上交,四、参考资料：教材：应用光学，李林，北京理工大学出版社 应用光学(英文版)，李林，北京理工大学出版社 现代光学设计方法，李林，北京理工大学出版社 光学设计手册，李林，北京理工大学出版社.,