北交大工程光学设计第一次大作业路基设计

./完美WORD格式编辑研究报告研究报告小组成员：执笔人:假定测量系统使用单透镜,给定其焦距为500mm,口径为25mm,请利用Zemax软件设计并模拟出成像光路结构,并给出三个CCD探测器的大概位置所在。答：〔1利用Zemax进行建模,模拟出成像光路图。〔在确定视场时,由于Zemax的默认方向中x轴正方向纸面朝里,不便于观察,因此将三个测量桩放置在y轴上,确定视场时选择"物高"一项,y轴的值分别输入0,6000,-6000,权重均为1。Ⅰ.Zemax程序中的参数如下：Ⅱ.成像光路图如下：扩大后的细节图如下：所用单透镜的焦距为500mm,孔径为25mm,第一个面的曲率半径为-838.89mm,第二个面的曲率半径为-194.01mm,透镜厚度为10mm；实验中光的波长为550nm。观察成像光路图可得,三个测量桩在像平面上成像点的坐标为：〔0,0,493.90；〔0,191.85,493.90；〔0,-191.85,493.90因此三个CCD探测器的大概位置坐标为：〔现实中以测量桩分布方向为x轴〔0,0,493.90；〔191.85,0,493.90；〔-191.85,0,493.90,因此若不计透镜厚度,三个CCD探测器位于透镜后493.90mm处,相邻两透镜之间的距离为191.85mm。若路基沉降1mm,在CCD上将探测到多少位移？答：〔1先分析测量表面沉降的原理:点光源设置在测量桩上,测量桩埋设在路基表面处,当路基沉降时,测量桩随之沉降,安装在测量桩上的点光源也会发生相应的位移；透镜与CCD探测器一起组成测量装置,设置在无沉降或沉降量非常小的地点,当被测路基沉降量为h时,点光源产生相同的位移值h,相应的,点光源在探测器上的像点也产生了一定的位移值h’,如图所示:由三角形相似原理有：；其中d为点光源与成像透镜中心的水平距离,d’表示成像面与透镜中心的水平距离。在第一问中测量桩距离透镜中心的水平距离为15005mm,成像面与透镜中心的距离为498.90mm〔透镜厚度为10mm,因此当路基沉降1mm时,CCD上可检测到的位移为：利用单透镜成像探测的缺点是什么？有什么解决办法？答：〔1缺点：单透镜成像会有一个明显的缺点,就是太容易产生像差。此次模拟实验产生了球差、彗差。Zemax模拟实验中的球差、彗差图形如下图所示：〔2解决办法：对球差,最简单的方法是在单透镜前面加一个光阑,只让近轴光线通过,也可以通过正负透镜的组合来消除；对彗差,也通过改变光阑的位置,使用组合透镜,设计对称光学系统等方法来解决。若如图所示做成测量仪器,其仪器外壳尺寸大概是多少？一般希望做成的仪器小型化,可采取什么办法,能够将1中的系统尺寸减小？〔1由1可知,外壳尺寸大概为：长494mm,宽384mm,高30mm。怎样将系统尺寸减少：I.设计折叠光路：当光从透镜出来后,使其通过两个平面反射镜后再让CCD探测器接收。如下图所示：Ⅱ.通过正负透镜的组合：正透镜在前,负透镜在后,这样主面可以移到装置的外面,透镜组的总长小于焦距,可以减少系统的尺寸。如下图所示：比较Ⅰ、Ⅱ两种方法,对第一种方法,平面反射镜微小的角度变化就可能导致目标像点位置的明显变化,甚至使目标像点无法成像在CCD的光敏面上,因此第Ⅱ种方法更好。〔此问题不用在zemax中建模若用两个透镜进行组合来减小系统尺寸,并依然满足焦距500mm,请参考大恒公司〔可网上浏览或下载2016产品样本的透镜型号,进行两块透镜的选择,并给出具体的光路图。答：〔1理论计算：可以利用正负透镜的组合来减少系统的尺寸,具体的光路图如下所示：那么在只要在保证焦距为500mm的情况下,使组合透镜尺寸S=d+Lf’最小即可。不妨设h1=100mm,有u1=0,由近轴方程：有：且有：由以上公式有：为了使问题简单,不妨设,则有：；因此当h2=50mm时,可使组合透镜尺寸S最小,为375mm。此时,。因此需要两个透镜的组合,其中正透镜焦距为250mm,负透镜为-250mm,两透镜的距离为125mm。<2>参考恒大公司的透镜型号,选择透镜的型号如下表所示：型号ΦRffbTcTe重量材质GCL-01022430.0257.544250