望远镜设计计算指导.docx

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望远镜设计计算指导

《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指导

说明：

1、本指导将全面介绍带有普罗I型转像棱镜系统的望远镜设计过程以及计算，作为《应用光学》课程设计的实习范例。

实验报告需在此基础上完善和修改，严禁全盘抄袭本指导，否则作0分处理！

2、本指导省略了理论分析部分，计算依据请参考有关资料。

设计题目和技术要求

题目：

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

要求：

双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：

1、望远镜的放大率Γ＝6倍；

2、物镜的相对孔径D/f′＝1：

4（D为入瞳直径，D＝30mm）；

3、望远镜的视场角2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。

6、lz′=8～10mm

如何开始呢？

我们的工作将按照以下步骤进行：

1、系统外形尺寸的计算：

根据需求确定像差，选型；

2、使用PW法进行初始结构的计算：

确定系统的r、d、n；

3、像差的校正：

通过修改r、d、n，调整像差至容限之内；

4、进行像质评价，总结数据图表，完成设计。

下面我们将根据以上步骤来示范本次设计

第一部分：

外形尺寸计算

一、各类尺寸计算

1、计算和

由技术要求有：

，又，所以。

又放大率Γ＝6倍，所以。

2、计算

3、计算

4、计算（目镜视场）

5、计算棱镜通光口径

（将棱镜展开为平行平板，理论略）

问题：

如何考虑渐晕？

我们还是采取50%渐晕，但是拦掉哪一部分光呢？

拦掉下半部分光对成像质量没有改善（对称结构，只能使光能减少），所以我们选择上下边缘各拦掉25%的光，保留中间的50%。

即保留中间像质好的，去掉边缘像质不好的。

下半的25%由目镜拦掉，上半的25%由棱镜拦掉，只留下中间的50%。

如图：

移出梯形后计算：

，此处后截距取大于14mm即可，我取14mm。

又，，所以有，。

所以展开厚度，因为装配需要，取，空气平板的长度。

即（n=1.5163）

物镜距棱镜第一面为59.8mm。

验算：

取59.8mm会不会挡轴上点的光？

如图求得极限距离为53.7mm，若小于此距离时候棱镜档光，取59.8是可以的。

意义：

说明之前取后截距，但是不能取得太大，否则棱镜离物镜太近了会挡光！

6、求目镜口径

无渐晕时候，，现在有25%的渐晕，所以

7、结构

总尺寸

二、选型

望远镜：

孔径大，视场小，所以轴外像差小，只需要校正轴上点像差。

两种轴上点像差：

球差、位置色差。

与孔径相关。

其余轴外像差：

与视场相关，但慧差与孔径和视场都相关，所以也要考虑慧差。

所以：

对于物镜：

校正球差、位置色差、慧差（用正弦差代替）

对目镜：

大视场，小孔径。

要校正：

像散、场曲、畸变、慧差、倍率色差。

选择：

物镜—双胶合；目镜—凯涅耳目镜。

第二部分：

PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计）

（PW法理论略）

一、求解本设计的结构

已知

1、求

由设计条件，有

注意：

由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差。

2、平板像差

两个平板，厚度为，所以有

，

其中；

；

3、双胶合物镜像差

双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。

（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）

即双胶合像差

进行规化后：

1）

2）求P、W：

3）求、：

4）求

若冕牌玻璃在前：

若火石玻璃在前：

查表，选玻璃对。

5）例如选取了K9-F5玻璃对

查表有：

所以；

。

取“—”号时比较接近。

所以注意，这是规化后的。

所以

二、上机计算

根据之前的计算，已基本得到了双胶合物镜的初始结构参数。

现在我们知道：

物距：

，半视场角：

，入瞳直径：

30mm，折射面数：

7个（双胶合3个，平板4个）。

因为入瞳在物镜上，所以第一面为STO面，各面曲率半径已知，平面曲率为infinity。

另外有，同时有。

输入zemax运行计算：

1）焦距119.5～120.5mm为合格；

2）像差容限

i）球差：

1H孔径小于1倍焦深，1倍焦深==0.0377；0.707H带球差小于6倍焦深=0.226。

ii）色差：

全孔径范围都小于0.1即可

iii）慧差：

我们用慧差代替正弦差，即弧矢慧差

小于0.02即可。

修改、、达到以上要求！

请看范例物镜.zmx

（可以选取别的玻璃对作为双胶合物镜，有的容易校正像差，有的则稍微困难，即使玻璃对选取相同，最后调整的结果也不相同，所以不要抄袭!

）

修改好像差后，按照《光学设计手册》上p356页的表面半径数值表，套用标准半径，选取影响最小的标准半径，套完半径后，保证焦距和像差在合格范围，则达到要求！

注意：

后截距，即棱镜最后面到像面的距离要求大于等于14mm，修改完参数后可能改值只有8mm左右，怎么办？

改变前面的59.8mm那个厚度，从而使后截距达到要求！

至此，物镜设计完毕，可以保存数据，图表，整理设计报告。

第三部分：

目镜的设计

由于目镜的设计比较复杂，且日常使用的目镜都已成型，我们采取直接选用的方式。

1、选型

已知，我们选择凯涅耳目镜。

其中场镜的作用是“光瞳衔接”。

2、初始结构参数（三个透镜，五个面）

目镜是一个放大的光学系统，根据设计经验，我们采取“倒追”的方法，进行反向追迹！

首先要确定的是接眼镜的结构，因为场镜只是为了衔接光瞳的，对像差的要求在接眼镜上。

组合焦距，接眼镜，一般取（经验公式！

）

原来的出瞳距现在因为反追变成了入瞳距，并且符号要反过来，。

规化处理：

3、校正像差

与视场有关的像差有：

慧差、像散、场曲、畸变，倍率色差。

所以令。

，所以可求，由可以选玻璃对。

取，因为不用考虑平板和场镜，直接用双胶合来校正，所以。

同时还有：

我们已经选好一对：

1）ZF3-ZK3

其他还有

2）ZF5-ZK6

3）ZF6-ZK10

请自行查表计算。

接下来计算接眼镜的各表面曲率半径：

因为这次不知道，所以不用求了，所以直接有：

所以接着计算：

，所以，取

双胶合结构参数求完！

3、设计场镜

场镜在此处的作用是帮助光瞳衔接，改变出瞳的位置。

正的场镜能使后面光组的通光口径减小，使物镜出瞳更靠近目镜，负场镜则反之。

设计思路：

1）我们前提已知系统出瞳的位置，现在采取反追方法，所以出瞳就变成了目镜的入瞳；

2）该入瞳通过接眼镜成的像与物镜框是共轭的，但此时还不重合；

3）在接眼镜后加上场镜，使之前的像再通过场镜成像到物镜框上，实现光瞳衔接！

计算：

，d略小于20mm，取d=18mm

对于场镜来说，，这个数值未考虑透镜厚度，还要加上6～7mm，接眼镜厚度6mm，场镜厚度0.8～1mm，所以取。

而像距（取后截距）

再由

场镜为平凸透镜，材料选K9玻璃，根据计算：

，从而得到场镜的两个曲率半径。

如此，算出了凯涅耳目镜的5个曲率半径都得到了！

目镜的上机数据

，，入瞳位置

计算得初始焦距大约为20.6mm左右。

目镜的像差容限：

五个像差一个焦距

自己计算一下

子午慧差2倍焦深左右（尽量小于0.1）；像散小于1.6；场曲小于1.6；畸变小于0.56；倍率色差小于0.03。

尽可能小些，不强制要求。

再看看现在的结构

修改目镜的入瞳距（8～10mm那个参数），可以调整使光瞳衔接。

目镜的出瞳距为，都是允许的，说明满足光瞳衔接！

总结一下目镜的要求：

1、焦距19.5~20.5mm；

2、像差任意；

3、光瞳要衔接；

之后保存数据、图表。

光学零件制图：

尝试画一个双胶合透镜中的正透镜，选做。

第四部分：

设计报告的内容与要求

可以手写，可以打印，禁止复印（0分处理）。

内容以及要求

1、封面：

包括班级、、学号。

2、外形尺寸计算，光学系统选型；像差容限计算。

（要求有详细的计算步骤和理论依据）；

3、PW法计算初始结构参数，要求详细过程

物镜：

目镜：

4、像差校正；厚度取整；套标准半径（选做）；光瞳衔接。

打印数据，像差曲线；

5、像质评价。

自述，是否达到像差容限要求，什么原因。

6、零件图（选做）。

7、学习的心得体会。