应用光学课程设计双筒棱镜望远镜设计.docx

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应用光学课程设计双筒棱镜望远镜设计

应用光学课程设计

一、设计题目

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

二、本课程设计的目的和要求

1、综合运用课程的基本理论知识，进一步培养理论联系实际的能力和独立工作的能力。

2、初步掌握简单的、典型的、与新型系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘制、光学零件技术要求等。

3、巩固和消化课程中所学的知识，初步了解新型光学系统的特点，为学习专业课与进行毕业设计打下好的基础。

三、设计技术要求

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r=6倍；

2、物镜的相对孔径D/f丄1:

4（D为入瞳直径，D=30mm）;

3、望远镜的视场角2宀=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。

&lz'〜810mm

四、设计报告撰写内容

本课程设计要求以设计报告形式完成以下工作：

1、认真学习相关像差理论和光学设计知识，做好笔记，完成例题作业并上交；

2、根据所讲内容进行本设计具体参数以及结构形式的选择，说明选择理论依据；

3、进行本设计的外形尺寸计算，要求写明计算过程；

4、使用PW法进行初始结构参数r、d、n的求解，要求写明计算过程；

5、计算本设计的像差容限，使用Tcos软件完成设计的模拟和计算，手工修改结构参数进行像差的校正；

6、绘制相应的像差曲线图和计算数据报表；

7、写出本次课程设计的心得体会。

第5章望远系统设计范例

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6倍；

2、物镜的相对孔径D/f丄1:

4（D为入瞳直径，D=30mm）;

3、望远镜的视场角2宀=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。

&lz'〜810mm

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。

F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fo'和fe'

由技术要求有：

Df'1，又D30mm，所以fo'120mm。

又放大率6倍，所以fe'fo/620mm。

2、计算D出

QD物30D出

30

6

5mm

3、计算D视场

D视场2f°'tg2120tg4°16.7824mm

4、计算’（目镜视场）

tgtg''45°

5、计算棱镜通光口径D棱

（将棱镜展开为平行平板，理论略）

该望远系统采用普罗I型棱镜转像，普罗I型棱镜如下图:

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：

D目

D

□工匸

物

尹

k

-ZZZ3

3

14

F

移出梯形后计算：

D视D棱

120，此处后截距取大于

14mm即可，我取14mm。

又D物30mm，D视场16.7824mm，所以有

D棱

D棱16.574mm，-棱8.287mm。

所以展开厚度L2D棱33.15mm，因为装配需要，取L33.5mm,空气平

—I

板的长度d—22.1mm。

即n

巧』4

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14mm，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D目

D目无渐晕时候，D目2fo'fe'tg字,现在有25%的渐晕，所以

D2fo'fe'tg弓22^8mm。

（因为貧）

7、总体结构

总尺寸L59.821420101091.820111.8110mm

二、光学系统选型

根据设计技术要求与外形尺寸计算结果：

物镜：

D/f'1:

4，28o，f'120mm

目镜：

f20mm245.5°，D出5mm，lz8~10mm

查阅相关光学手册，可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。

相关的结构特点，像差特性和光学性能如下：

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（可用正弦差代替）

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：

物镜一双胶合；目镜一凯涅耳目镜。

双胶合望远物镜（图1）的特点是结构简单，制造和装配方便，光能损失较小。

玻璃选择得当，可以同时校正球差，正弦差和色差。

当高级球差得到平衡时，胶合面的曲率较大，剩余的带球差偏大。

因而，双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。

常见的孔径如表所示。

考虑到胶合面有脱胶的概率，双胶合物镜的口径不宜过大，最大口径为100mm。

双胶合物镜能适应的视场角不超过10°。

表5-1望远物镜通用的相对孔径

焦距f/mm

50

100

150

200

300

500

1000

相对孔径

D/f'

1:

3

1:

5

1:

4

1:

5

1:

6

1:

8

1:

10

凯涅尔目镜（图2）是在冉斯登目镜基础上发展起来的，它把接目镜改成了双胶镜。

增加一个胶合面变数用来校正倍率色差，且在校正倍率色差的同时可以把场镜和接目镜的间隔进一步减小，从而取得结构缩短，场曲减小的效果。

凯涅尔目镜的成像质量优于冉斯登目镜，它能适用的视场也大于冉斯登目镜。

凯涅尔目镜的光学性能是：

视场240。

團1双胶合物塢的光学结构A

0

第二部分：

PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计）

PW法理论见前文介绍一、求解本设计的结构

已知fo'120mm,D30mm,28。

1、求h,hz,J

h

D

15mm

2

由设计条件，有hz

J

0孔径光阑在物镜框上

n'u'y'1.4089

（u'

hf'0.125,y'f°'tg8.3912mm,n'1）

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2L233.567mm，所以有

n14

Sip3du0.006906,

n

其中d67mm,n1.5163（K9）,u0.125,up0.6096,64.06；

Up

SupSp（匕）0.003404；

u

Cipd（n1）u20.003667

n

3、双胶合物镜像差

（若不

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。

需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）

SI0.006906

即双胶合像差Sii0.003404

CI0.003667

进行归一化后：

1）Ci

C,C-C-0.001958

h

PS0.0004064

h

S

2）求P、W:

WL0.0032453J

（QSIIhzPJW,hz0）

3）求P、W

（h）3

（h）2

0.20808P

0.2077W

（因为是望远系统,

Pp

物就在无穷远，所以此时有P_）

WW

4）求P

若冕牌玻璃在前:

若火石玻璃在前:

P0P0.85（W0.1）20.19822

P0P0.85（W0.2）20.20803

5）查表，选玻璃对

根据C0.001958与Po的值查光学设计手册，可知F4-K3玻璃对在

F4-K3

C0.002时，P。

0.217434，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选玻璃对。

根据光学手册关于F4-K3玻璃对的详细信息：

Po

0.217434，Q05.087553，W°0.224789

1.112774，A2.434539，K1.717269

1.6199，n21.5046

6）求形状系数Q

QQ。

PP0

QQ0WW0

5.087553°.2°77叱47895.0975

1.717269

因PVP。

，所以第一式无解，所以取第二式的Q值，得：

Q5.0975

7）求归一化后的透镜各面曲率半径

所以：

-2.1847n11

13.9797

注意，这是归一化后的。

10.2073

n21n21

所以:

54.93mm

32.15mm

2

578.9mm

8）求厚透镜的厚度和口径物镜外径的确定。

根据设计要求：

D30mm。

物镜用压圈固定，其所需余量由光学设计手册查得为2mm,由此可得物镜的外径为32mm。

光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。

为了使透镜在加工过程中不易变形，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：

对凸透镜：

高精度3d7tD

中精度6d14tD

其中还必须满足d0.05D

对凹透镜：

高精度8d2tD且d0.05D中精度16d4tD且d0.03D式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。

根据上面公式，取高精度可求出凸透镜和凹透镜的厚度。

凸透镜：

t

D3x2

10

X3

式中x2、x3为球面矢咼，可由下式求得:

式中人为折射球面半径,

D为透镜外径。

凸透镜最小中心厚度为d1X1tX2

同理可得:

凹透镜：

t

D8仪2

X1

10

凹透镜最小中心厚度d1t|X1|X2

代入物镜的相关参数，可得d12.6mm，d26.0mm

、上机数据及像差容限的计算

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：

4°，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d12.6,d26,d359.8,d433.5,d52,d633.5，同时有

n11,n2K9,n3F5,ru1,n5K9,n61,n7K9。

输入TCOS运行计算：

1）焦距119.5〜120.5mm为合格；

2）像差容限

i）球差：

根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。

令其小

于或等于丄波长，即可得到边光球差的容限公式为：

Lm壬

4num

对边光校正好球差后，0.707带的光线具有最大的剩余球差。

即Lm0时的

带光球差容限为L07070.2262mm

num

实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。

固此时边光球

差的容限为1倍焦深。

即：

Lm0.0377mm.（umu'—0.125）

numfo

ii）位置色差：

Lfcry0.0377mm。

若放宽要求，全孔径范围都小于0.1即

num

可；

iii）慧差：

我们用慧差代替正弦差SC0.0025，即弧矢慧差

Ks'Sc'y'0.00258.39120.02，即小于0.02即可。

修改r1、a、r3达到以上要求!

三、计算机模拟结果及物镜像差校正

考虑到价格问题，我在进行像差校正时透镜半径全部选用了价格最便宜，使用最多的250系列标准半径，并且很好的校正了像差。

最终的结果如下：

上光渐晕

下光渐晕

输入数据

1•初始参数

物距

半视场角（°

入瞳半径

0

4

15

系统面数

色光数

实际入瞳

理想面焦距理想面距离

0

0

面序号

半径

厚度

玻璃

STO

60.2600

1.500

1

2

32.2100

8.000

F4

3

-304.8000

54.000

K3

4

0.0000

33.500

1

5

0.0000

2.000

K9

6

0.0000

33.500

1

7

0.0000

14.546

K9

☆定义了下列玻璃:

K3

1.504558

1.510019

1.502222

K9

1.5163

1.521955

1.513895

F4

1.6199

1.632096

1.615036

1.高斯参数

有效焦距（f'）后截距（L'）

前截距（L）

计算结果

像距（I'）

14.54584

放大率（11）

0.00000

-106.49164

8.40412

0.00000

120.1845014.54584-119.33743入瞳距离（lz）出瞳距离（lz'）近轴像高（y'）

入瞳直径（D）出瞳直径（D'）拉赫不变量（J）像方孔径角（U'）

30.0000030.21292-0.314670.12481

2.像差

***零视场像差***

1H

0.85H

0.707H

0.5H

0.3H

0H

球差

1

L'

-0.0127

-0.0695

-0.0784

-0.0548

-0.0231

0.0000

弥散园

L'R

-0.0016

-0.0074

-0.0069

-0.0034

-0.0009

0.0000

F光球差

1

L'F

0.1049

0.0089

-0.0290

-0.0356

-0.0220

-0.0087

C光球差

LC

0.0170

-0.0258

-0.0244

0.0100

0.0483

0.0749

轴向色差

L'FC

0.0879

0.0347

-0.0046

-0.0456

-0.0703

-0.0836

***D光各视场像差

***

相对视场

KT'1.0H

KT'.7H

KT'.3H

KS'1.0H

KS'.707HKS'.3H

1

-0.0154

-0.0021

0.0002

-0.0017

0.0001

0.0001

0.85

-0.0130

-0.0018

0.0002

-0.0015

0.0000

0.0001

0.7071

-0.0107

-0.0014

0.0002

-0.0013

0.0000

0.0001

0.5

-0.0075

-0.0010

0.0001

-0.0010

0.0000

0.0001

0.3

-0.0045

-0.0006

0.0001

-0.0006

0.0000

0.0000

4、物镜像差曲线

R光

F光

□03

0.00

□03

0.19

o.iaE-1

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？

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

目镜一般用于目视光学系统，相当于一个复杂化的放大镜，起到视觉放大的作用。

目镜一般由场镜和接目镜两部分成。

由于目镜是一个大视场系统，所以从像差角度来说需要矫正所有的视场相关的像差，因此结构较为复杂，设计较为困难。

由于目镜的设计过程较复杂，且日常使用的目镜都已成型，我们采取直接选用现有的目镜结构形式的方式。

1、选型

已知fe'20mm,出瞳距lz'10mm,视场2'45.5°，我们选择视场角为40°〜

50°的凯涅耳目镜。

间像面（视场光阑）附近的一块平凸透镜，它的作用是：

1、调整系统的出瞳距，使系统满足光瞳衔接”的要求;

2、转折光路，以减小目镜的横向尺寸。

2、初始结构参数（三个透镜，五个面）

目镜是一个复杂化的放大镜，理论上最后成像在无限远，而物体在有限远。

根据设计经验，为了简化设计难度，我们采取倒追”的方法，即进行光路的反向追迹，把视场光阑的位置作为像面！

首先要确定的是接眼镜的结构，因为场镜放置在像面附近，对像差无影响，对像差的主要要求在于接眼镜上。

组合焦距fe'20mm，接眼镜f眼'20mm，一般取f眼'1.2fe'24mm（经

验公式！

）

原来的出瞳距现在因为反追，变成了入瞳距，因此符号要反过来，J10mm

l10归一化处理：

hz丄-00.415

f眼'24

3、校正像差

需矫正所有与视场有关的像差：

Sii—慧差、Sil—像散、Siv—场曲、Sv—

畸变，Cii—倍率色差。

所以应有Sii0,Siii0,Siv0,Sv0。

由于选取的目镜结构较简单，因此主要考虑彗差和像散的矫正，有：

又：

P

Si

EP

JW0

Sii

__2—

hzP

2

2JhzWJ20

2

P00.85W

0.15

联立以上三式有:

h°4

Po

0.415,W

2.6P0。

所以可求Po0.929,

W2.5243,P5.72071。

取Co,因为场镜对像差没有影响（处于像面附近），故直接用双胶合来校

正，所以C0。

由C,Po可以选玻璃对。

我已经选好一对:

1）ZF3-ZK3

ZFir.?

17229.5

C|=0,005

6=

G=-0.0&1

=0.00

Cl一o上帕§

q・TJH!

5

叭

—Q.-Wftu

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—0T9S8i2»

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—IJ132O7

-1.2670S6

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-20B7452（i

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U

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—Ml冏茁4

—0U91817

—Q.1S6994

-0,210927

-O.22S297

+n.84^01

+DB8J20.i5

j

+0.*45912J

40.83S954

斗0.EJB1S5

+G.KJ4S&1

接下来计算接眼镜的各表面曲率半径，首先求形状因子Q：

QQ0■"P04.096345,5720705°929近赵2

\AY2.3459452.667167

QQ0匝旦4.096345亜业摯4.1心22.7

K

1.67

1.67

因此取Q=2.7即可。

所以接着计算

（计算方式和物镜相同）

:

r1

f眼’

48.83mm

21Q

1.789

1

1

1

20.4915，所以

「2

f眼’

13.415mm，取d11.5,d24.