光学系统外形尺寸设计实例

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1、万能工具显微镜光学系统设计任务书万能工具显微镜光学系统设计万能工具显微镜用以瞄准工件，属于瞄准定位系统，因此系统的总放大功率由瞄准精度来决定。设瞄准精度（一次瞄准的最大允许误差）分别为、、用米字型虚线瞄准被测件轮廓时，眼睛的瞄准精度为将上二式的数值代入式（7—8），可得系统的总放大率为=或，（一）物镜、目镜放大率的分配及确定物镜所观测的工件沿光轴方向有一定深度，为使工作时，镜筒端部与工件不致相碰，要求物镜有较大的工作距离。例如时，要能测量的工件，物镜的工作距离应大于，为使总的共轭距不致太长，物镜倍率不宜过大。目镜倍率可以适当取大一些，

2、但也不能太大，以免镜目距太短，或使分划板的粗糙度要求太细而造成加工困难。目前国内外通用的目镜的放大率为，因此，在选择目镜时，应首先考虑目镜。此例题若选择目镜，则物镜的倍率分别为、、。这样，物镜倍率也不太高。物镜常取物镜。（二）物镜的数值孔径的确定物镜的数值孔径可根据式（7—13）确定，即故三种放大率的物镜对应的数值孔径分别为，，。（三）物方线视场大小的确定视场的大小根据使用要求而定，并考虑到校正像差的可能性。对于物镜，要求能看到的圆柱、圆孔或螺距为的螺丝，因此取物方线视场为，其相应的视场光阑直径（即分划板通光直径）为。对于三种不同倍率

3、的物镜，一般采用视场光阑直径是统一的，因此，不同倍率的物线方视场大小不同。三种倍率的物方线视场见表7—18。表7—18物镜放大率物方线视场直径/mm目镜分划板通光直径/mm2174.2212121（四）物镜的工作距离和焦距物镜的工作距离取决于同一工件上下两平面间的高度差或被测工件的最大直径。对于物镜，在万工显上要求在使用V形座时，被测工件的最大直径为，此时，相应的工作距离应大于。本例题取物平面到主面的距离（物距）为，与此对应的像距。按薄透镜计算的共轭距为。由此看来，显微镜的轴向尺寸不算太长。由高斯公式很容易计算出物镜的焦距。对于和物镜

4、，其共轭距应保持大体一致，以保证齐焦。由共轭距和放大率可分别求出物距、象距、焦距。下面以物镜为例，讨论万工显主显微镜其他光学参数的确定。8/8万能工具显微镜光学系统设计任务书（五）物镜通光口径和孔径光阑直径如图7-77所示，物镜的通光口径为图7-771—物镜2—孔径光阑3—空气平板（由斯米特棱镜展开）4—分划板5—目镜6—目镜接目镜7—出瞳从瞄准精度出发，要求万工显主显微镜为物方远心光路，为此，其孔径光阑应位于物镜象方焦平面处，其孔径光阑的大小应保证物镜的数值孔径，故（六）斯米特屋脊棱镜尺寸计算斯米特屋脊棱镜主要起正象作用，又可使出射

5、光轴和水平线倾斜，便于观测。假定已将棱镜展开成等效空气板。考虑到轴上和轴外光束都能通过棱镜，那么可根据入射面和出射面的光线入射度，取其大者为棱镜的通光直径。利用作图方法很容易判断出来，因此不必每面都计算其入射高度。另外，该棱镜是三种倍率的物镜所共有，因此必须验算每个物镜所要求的棱镜通光口径，然后取其大者为棱镜的通光口径。下面仍以物镜为例，计算棱镜的通光口径。由图7--77可见，棱镜的通光口径为式中——视场光阑半径（即分划板通光半径）；——棱镜出射面至视场光阑的距离；——是决定棱镜口径的光线的倾角。值的大小应考虑以下几点：棱镜的出射面不

6、要离分划板太近，这样对棱镜表面粗糙度的要求可降低些，棱镜上即使有点污物，也不致于影响象的清晰度；考虑到棱镜展开后，不致延伸到分划板上，所以一般预先给定值，使棱镜向空间大的物镜方向展开；选定的值应使棱镜的口径较小。上式中的，由图中的几何关系可以求出将、、值代入，则为考虑到安装余量，取经验算，、物镜也可用此棱镜。8/8万能工具显微镜光学系统设计任务书确定了棱镜的通光口径后，可查光学仪器设计手册（上册，第90页），根据斯米特棱镜结构尺寸关系求出相应的结构尺寸（图7--78）：图7--78（展成平板厚度）相应等效空气板厚度为取。一般棱镜的材料

7、应考虑其物理、化学性能以及加工、成本等方面的问题。常选取和光学玻璃。由于加入棱镜，使像面产生轴向位移，其后移量为主显微镜的实际共轭距离应为（七）目镜结构参数计算目镜焦距为8/8万能工具显微镜光学系统设计任务书现取目镜型式为肯涅尔目镜，使其物方截距约为现求向场镜的通光直径。由图7-77可得故肯涅尔目镜的向场镜的焦距，一般取向场镜与接目镜之间的距离一般取由图7-77可以看出，接目镜的口径D接被经过B点的轴外光线所限制。该光线与光轴的点C到向场镜的距离可由图中几何关系求出故mm利用高斯公式可求出为mm由图中几何关系可得mm接目镜的焦距由组合

8、光组焦距公式可求出8/8万能工具显微镜光学系统设计任务书故mm目镜的视场角可由下式求出镜目距为mm式中的，为出瞳直径。（八）主显微镜照明系统的设计当主显微镜基本参数确定之后，对照明系统便可提出具体的要求；（1）均匀照明被