透镜转像望远系统.doc

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电气工程学院

课程设计说明书

设计题目：

透镜转像望远系统

系别：

年级专业：

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

电气工程学院《课程设计》任务书

课程名称：

光学仪器基础课程设计

基层教学单位：

自动化仪表系指导教师：

学号

学生姓名

（专业）班级

设计题目

透镜转像望远系统

设

计

技

术

参

数

视放大率为8倍

视场角2w=10°

出瞳直径D`=4mm

渐晕系数K=1/4

入瞳距离Lz=-50mm

镜筒长度L=1000mm

要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。

入瞳位置不在物镜上。

设

计

要

求

计算望远物镜的各个参数；

上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求

参

考

资

料

1、刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，西安

2、《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京

3、光学设计软件ZEMAX

应

完

成

内

容

6.20----6.21计算设计处望远物镜的各个参数

6.22----6.23上机进行优化设计，确定最后的设计结构

6.28答辩

指导教

师签字

基层教学单位主任签字

说明：

1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。

2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院教务科

目录

第一章设计要求..........................................................................................................1

第二章基本原理及参数计算......................................................................................2

1.望远系统的尺寸计算...................................................................................2

2.用PW法计算物镜.......................................................................................6

3.用PW法计算目镜......................................................................................10

第三章像差优化及分析............................................................................................11

1.初始像差.....................................................................................................14

2.优化后像差.................................................................................................18

3.像差比较及分析.........................................................................................21

第四章总结................................................................................................................22

第五章参考文献........................................................................................................23

第一章设计要求

望远系统是用于观察远距离目标的一种光学系统，相应的目视仪器称为望远镜。

望远系统一般是由目镜和物镜组成的，有时为了获得正像，需要在物镜和目镜之间加一棱镜或者透镜式转像系统。

本课程设计的内容即为透镜式转像系统。

该透镜转像望远系统的设计要求如下：

视放大率为8倍

视场角2w=10°

出瞳直径D`=4mm

渐晕系数K=1/4

入瞳距离Lz=-50mm

镜筒长度L=1000mm

要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差

入瞳，出瞳位置不在物镜与目镜上面

第二章基本原理及参数设计

1.望远系统的尺寸计算

所谓透镜转像系统，就是放置在物镜实像面后的使像再一次倒转成为正像的透镜系统。

它的物平面和物镜的像平面重合，像平面与目镜的前焦面重合。

在有些光学系统中，如潜望镜，内窥镜需要放置透镜转像系统以增加仪器的筒长。

由于在这种结构在=-1的时候其像差校正及加工、装调都比较方便，又容易获得满意的像质，所以在本课设中采取这种双组透镜的结构。

原理图如下页所示。

（1）各镜组的焦距

由于两个镜组之间是平行光，第一镜组的前焦面和物镜的后焦面重合，第二镜组的后焦面与目镜的前焦面重合，所以转像组的通光直径等于物镜的像面直径。

由于转像系统不改变放大倍率，则可以把这个系统看做物镜L1和目镜L5的焦距之比。

即有，（-8）*（-1）=8

L3和L4构成=-1的透镜转像组，有=，由于L1，L2和L3构成一个望远系统，有.（1--1）

据要求转像系统透镜的口径与物镜面直径要相等（1--2）

由公式1，2得，再从图中可以解得，

=8*4=32mm=0.087488663,L=1000mm将

代入数据得的值为201.11mm

将的值代入式1--1，得到

计算结果

L=201.1+221.20+331.70+221.20+25.1325=1000.338693mm

与设计要求相差不多，在误差允许范围内，计算无误。

（2）各透镜所成的像

场镜L2应使物镜出瞳与转像组的入瞳相重合，系统的孔径光阑位于L3与L4的中间，其入瞳位置由高斯公式求出

代入数据，解得

由转像组的入瞳到场镜的距离为mm

已知，因而整个系统的距物镜L，所成像的像距为

因而有

（3）各透镜组的横向尺寸

A.轴外光束在物镜上的通光直径为

轴上光束在物镜上的通光孔径为

故物镜通光孔径为

B.场镜的通光直径

C.转像组通光直径

D.分划板通光直径

E.目镜通光直径为

2.用PW法计算物镜

望远物镜是望远系统的一个组成部分。

它的光学特性具有以下两个特点：

（1）相对孔径不大

在望远系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径和目镜的相对孔径是相等的。

由实用的望远镜可以知道，

所以，望远物镜的相对孔径约为1/5.

（2）视场较小

望远物镜的视场角和望远目镜的视场角以及系统的视放大率有以下关系：

由于目镜的视场大都下于，这就限制了物镜的视场不可能太大，一般小于

用PW法确定物镜参数的过程如下：

由前述计算过程可知，该物镜的焦距为201.11mm，孔径光阑D=32mm。

1.选型

该物镜的视场角相对较小，所以轴外相差不大，主要需校正的像差为球差，正铉差和位置色差。

本课设采用双胶合型透镜。

2.确定基本像差参量

据设计要求，球差，正弦差和位置色差都不存在，即有

由于，均不为0，则有

可得基本像差参量，，均为0。

3.求

在日常生活中，常用的玻璃有冕牌玻璃，火石玻璃等。

本课设中，采用冕牌在前火石在后的结构。

上述公式为的计算方法，由于采用了冕牌玻璃，故采用第一种算法，解之得=-0.0085

4.选取基本参数

根据，的值从《光学仪器设计手册》中查得玻璃组合。

当选用K7（n=1.5147），ZF3（n=1.7172）时，其与上面所求的值接近，故选用K7，ZF3组合而成的双胶合物镜，有

A=2.468089K=1.734044

5.形状参数的求取

由于<,故不存在严格消像差解，但是接近于，可以认为约为0。

因此可以得

6.求透镜各面的球面半径（归化条件下）

由公式

又有

对上述的透镜的结构数据进行整理，有

=-0.0875物距L=入瞳半径h=16mm入瞳距第一折射面的距离=50mm

r

d

玻璃牌号

r1=123.445

-----

-----

r2=-93.251

d1=0

K7

r3=-241.119

d2=0

ZF3

经计算，像差均在像差容限范围以内，故上述计算合理。

8.求厚透镜的厚度

A.光学零件的外径的球面半径

由前述计算过程可知，该物镜的焦距为