北交大工程光學(xué)設(shè)計(jì)第一次大作業(yè) 路基設(shè)計(jì).doc

研究報(bào)告小組成員：執(zhí)筆人: 研究報(bào)告1. 假定測(cè)量系統(tǒng)使用單透鏡，給定其焦距為500mm，口徑為25mm，請(qǐng)利用Zemax軟件設(shè)計(jì)并模擬出成像光路結(jié)構(gòu)，并給出三個(gè)CCD探測(cè)器的大概位置所在。答：（1）利用Zemax進(jìn)行建模，模擬出成像光路圖。（在確定視場(chǎng)時(shí)，由于Zemax的默認(rèn)方向中x軸正方向紙面朝里，不便于觀察,因此將三個(gè)測(cè)量樁放置在y軸上，確定視場(chǎng)時(shí)選擇“物高”一項(xiàng)，y軸的值分別輸入0，6000，-6000，權(quán)重均為1。）.Zemax程序中的參數(shù)如下：.成像光路圖如下：擴(kuò)大后的細(xì)節(jié)圖如下：所用單透鏡的焦距為500mm，孔徑為25mm，第一個(gè)面的曲率半徑為-838.89mm，第二個(gè)面的曲率半徑為-194.01mm，透鏡厚度為10mm；實(shí)驗(yàn)中光的波長(zhǎng)為550nm。（2） 觀察成像光路圖可得，三個(gè)測(cè)量樁在像平面上成像點(diǎn)的坐標(biāo)為：（0,0,493.90）；（0，191.85，493.90）；（0，-191.85,493.90）因此三個(gè)CCD探測(cè)器的大概位置坐標(biāo)為：（現(xiàn)實(shí)中以測(cè)量樁分布方向?yàn)閤軸）（0,0,493.90）；（191.85,0,493.90）；（-191.85,0,493.90）,因此若不計(jì)透鏡厚度，三個(gè)CCD探測(cè)器位于透鏡后493.90mm處，相鄰兩透鏡之間的距離為191.85mm。2. 若路基沉降1mm，在CCD上將探測(cè)到多少位移？答：（1）先分析測(cè)量表面沉降的原理:點(diǎn)光源設(shè)置在測(cè)量樁上，測(cè)量樁埋設(shè)在路基表面處，當(dāng)路基沉降時(shí)，測(cè)量樁隨之沉降，安裝在測(cè)量樁上的點(diǎn)光源也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位移；透鏡與CCD探測(cè)器一起組成測(cè)量裝置，設(shè)置在無沉降或沉降量非常小的地點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)路基沉降量為h時(shí)，點(diǎn)光源產(chǎn)生相同的位移值h，相應(yīng)的，點(diǎn)光源在探測(cè)器上的像點(diǎn)也產(chǎn)生了一定的位移值h，如圖所示:由三角形相似原理有：；其中d為點(diǎn)光源與成像透鏡中心的水平距離，d表示成像面與透鏡中心的水平距離。（2） 在第一問中測(cè)量樁距離透鏡中心的水平距離為15005mm，成像面與透鏡中心的距離為498.90mm（透鏡厚度為10mm），因此當(dāng)路基沉降1mm時(shí)，CCD上可檢測(cè)到的位移為： 3. 利用單透鏡成像探測(cè)的缺點(diǎn)是什么？有什么解決辦法？答：（1）缺點(diǎn)：?jiǎn)瓮哥R成像會(huì)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),就是太容易產(chǎn)生像差。此次模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了球差、彗差。Zemax 模擬實(shí)驗(yàn)中的球差、彗差圖形如下圖所示：（2）解決辦法：對(duì)球差，最簡(jiǎn)單的方法是在單透鏡前面加一個(gè)光闌，只讓近軸光線通過，也可以通過正負(fù)透鏡的組合來消除；對(duì)彗差，也通過改變光闌的位置，使用組合透鏡，設(shè)計(jì)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)等方法來解決。4. 若如圖所示做成測(cè)量?jī)x器，其儀器外殼尺寸大概是多少？一般希望做成的儀器小型化，可采取什么辦法，能夠?qū)?中的系統(tǒng)尺寸減??？（1）由1可知，外殼尺寸大概為：長(zhǎng)494mm，寬384mm，高30mm。（2） 怎樣將系統(tǒng)尺寸減少：I.設(shè)計(jì)折疊光路：當(dāng)光從透鏡出來后，使其通過兩個(gè)平面反射鏡后再讓CCD探測(cè)器接收。如下圖所示：.通過正負(fù)透鏡的組合：正透鏡在前，負(fù)透鏡在后，這樣主面可以移到裝置的外面，透鏡組的總長(zhǎng)小于焦距，可以減少系統(tǒng)的尺寸。如下圖所示：比較、兩種方法，對(duì)第一種方法，平面反射鏡微小的角度變化就可能導(dǎo)致目標(biāo)像點(diǎn)位置的明顯變化，甚至使目標(biāo)像點(diǎn)無法成像在CCD的光敏面上，因此第種方法更好。5. （此問題不用在zemax中建模）若用兩個(gè)透鏡進(jìn)行組合來減小系統(tǒng)尺寸，并依然滿足焦距500mm，請(qǐng)參考大恒公司/ （可網(wǎng)上瀏覽或下載2016產(chǎn)品樣本）的透鏡型號(hào)，進(jìn)行兩塊透鏡的選擇，并給出具體的光路圖。答：（1）理論計(jì)算：可以利用正負(fù)透鏡的組合來減少系統(tǒng)的尺寸，具體的光路圖如下所示：那么在只要在保證焦距為500mm的情況下，使組合透鏡尺寸S=d+Lf最小即可。不妨設(shè)h1=100mm,有u1=0,由近軸方程： 有： 且有： 由以上公式有： 為了使問題簡(jiǎn)單，不妨設(shè),則有： ；因此當(dāng)h2=50mm時(shí)，可使組合透鏡尺寸S最小，為375mm。此時(shí)，。因此需要兩個(gè)透鏡的組合，其中正透鏡焦距為250mm，負(fù)透鏡為-250mm，兩透鏡的距離為125mm。(2) 參考恒大公司的透鏡型號(hào)，選擇透鏡的型號(hào)如下表所示：型號(hào)RffbTcTe重量材質(zhì)GCL-01022430.0257.54