内调焦准距式望远系统光学设计.docx

1、内调焦准距式望远系统光学设计内调焦准距式望远系统光学设计1、技术参数选择；放 大 率： 24 加 常 数：c = 0分 辨 率： 4 最短视距：Ds 2m视 场 角：2w 1.6 筒长：LT=170mm乘 常 数：k = 1002、外形尺寸计算；这里取 = -24 ，取不同的筒长L和缩短系数Q，根据上述公式(15)计算的结果列表2-1。表2-1 = -24 L=150mmQf 12f 1d0f 2f 3l F(l 2)l2 20.55272.73121.2098.16-41.4711.3651.8423.045.060.60250.00123.9798.36-50.8010.4251.6525

2、.614.080.65230.77126.8398.56-62.769.6251.4428.273.310.70214.28129.8098.77-78.718.9351.2231.032.720.75200.00132.8798.97-101.008.3351.0333.092.250.80187.50136.0599.17-134.407.8150.8336.881.90L=160Qf 12f 1d0f 2f 3l F(l 2)l2 20.55290.91129.28104.71-44.2212.1255.2924.575.060.60266.67132.23104.92-54.1711.

3、1155.0827.314.080.65246.15135.29105.14-66.9410.2654.8630.153.310.70228.57138.45105.35-83.959.5254.6433.102.720.75213.33141.73105.57-107.748.8954.4336.162.250.80200.00145.12105.78-143.378.3354.2239.341.90L=170Qf 12f 1d0f 2f 3l F(l 2)l2 20.55309.09137.36111.25-46.9912.8858.7526.115.060.60283.33140.501

4、11.48-57.5711.8058.5629.024.080.65261.54143.74111.71-71.1110.9058.2832.033.310.70242.86147.11111.94-89.2010.1258.0635.172.720.75226.67150.59112.17-114.479.4457.8338.422.250.80212.50154.20112.40-152.368.8557.6041.801.90L=180Qf 12f 1d0f 2f 3l F(l 2)l2 20.55327.27145.44117.80-49.7513.6462.2027.645.060.

5、60300.00148.76118.04-60.9412.5061.9530.724.080.65276.92152.20118.26-75.3111.5461.7233.923.310.70257.14155.76118.52-94.4610.7161.4827.242.720.75240.00159.45118.76-121.2410.0061.2440.692.250.80225.00163.26119.01-161.269.37560.9844.251.90上述计算表明：1、为了使仪器结构紧凑，必须缩短仪器筒长。缩短筒长L，f 1、f 2、f 3减小，导致各透镜组的相对孔径D/f 将增

6、大。透镜组相对孔径的增大，将使 像差校正困难，或使结构复杂，成本增加。因此，仪器筒长L不宜术小。2、当筒长L一定时，希望一定筒长所能获得的组合焦距f 12越大越好，即缩短系数Q越小越好。Q越小，f 1、f 2就越小，从而D1/f 1和D2/f 2增大，且 2增大，主物镜的剩余像差经调焦镜后将被放大 2倍，于像差校正是不利的。另一方面，Q越大，f 12和f 3就越小，但目镜的焦距不能太小，否则，目镜的镜目距小，影响观察。综上所述，应该取适当的L和Q。作为例子，我们取： = -24 ， L =170， Q = 0.65f 12 = 261.54， d0 = 111.71f 1 = 143.74，

7、f 2 = -71.11，f 3 = 10.90由于计算误差和取舍误差，亦或计算错误，使得加常数c 0。因此，必须检验加常数是否为0。检验公式为： (2-4)将所确定的参数代入，得：c = 0.00254由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。为了满足分辨率的要求，即 4 ，由得：另一方面，由可知， 一定时，出瞳D 随D的增大而增大。D的增大，即物镜通光孔径增大，使仪器外形增大。当f 1一定时，物镜的相对孔径D1/ f 1也随之增大，物镜的高级像差增大，像差校正困难。通常，用于大地测量仪器的望远镜系统，为了提高测量精度，出瞳直径D = 1.31.5mm，一般取D = 1.5

8、mm，则：D = - D 24 1.5 =36mm因此，取入瞳直径，即物镜的通光孔径D1=36mm，对应的出瞳直径D =1.5mm。二、调焦镜的通光孔径如图2-5所示，调焦镜的通光孔径D2由轴外物点的上光线的入射高度确定。由图中三角关系，有：而：y 1 = f 1tgw则得调焦镜的通光孔径：D2 = D1- d0(D1/f 1- 2tgw)=36-111.71 (36/143.74-2 tg0.8 ) = 11.14mm三、分划板直径及视距丝间隔由于场阑与分划板重合，所以分划板的通光孔径即为场阑直径，即：DP = D场 =2f 12tgw = 2 261.54 tg0.8 =7.30mm根据乘

9、常数的定义：得视距丝间隔四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径1、像方视场角-f3lzy2F3D3Dw图2-6目镜的成像光路由，得：tgw = - tgw = 24 tg0.8 = 0.33512499所以像方视场角2w =37.05 。2、出瞳距出瞳距的确定可由入瞳逐面用成像公式计算而得：因lz1 = 0，所以l z1 = 0，lz2 = l z1 -d0 = -111.71于是得出瞳距为：3、目镜的通光孔径由图2-6可得，目镜的通光孔径为：4、目镜的视度调节为了适应不同视力的人眼观察的需要，目镜应具备视度调节功能。目镜的视度调节范围一般取 5个折光度，它是通过目镜相对于分划板前后移动一定和距离来

10、实现的。因此，视度调节时，目镜的最大移动范围为：五、调焦镜的调焦移动量在调焦过程中，调焦镜沿光轴前后移动，其移动量必须保证对无穷远至有限远最短视距范围内的物体能调焦清晰。一般情况下，调焦镜的初始位置对应无穷远物体，因此，只须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置，就可以确定出调焦镜的移动量。取l1 = -2000mm，由物像关系的高斯公式，计算得l z = 154.87。由公式(1-6)计算得：= 128.77mm于是得调焦镜的调焦量： d = d d0 = 128.77 111.71 = 17.06mm3、结构选型；在本设计中，主物镜的相对孔径约1:4，调焦镜的相对孔径1:5.6，因此，主

11、物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜。4、初始结构参数求解；1、确定物镜焦距和工作距离l -uu -lhAA y -yBB L图 3-3 显微物镜成像的近轴参量先假设物镜为薄透镜，由几何光学共轭成像理论，有：解得： l = -48.75mm，f = 36.5625mm，l = 146.25mm。2、求解初始结构参数2.1确定基本像差参量根据像差校正的要求，令 L = 0、SC = 0及 L FC = 0，即 SI = SII = CI = 0。即：得：这只是物体在有限远时的像差参量，还必须将其规化到无穷远。已知：NA = n1sinU1 = 0.1，因n1 = 1，所以，取u1 = sinU

12、1 = -0.1。又：h = l1u1 = -48.75 (-0.1) = 4.875mm，规化孔径角：于是，由公式（3-18）可求得规化后的基本像差参量如下：3、选择玻璃组合玻璃组合选择的依据是P0和，同时，还必须注意：当是较小的正值（01）时，应尽可能取冕牌玻璃在前；当是较大的负数（-3.56101018183030505080801201201500.40.60.81.21.21.81.82.42.43.03.04.04.06.00.60.81.01.51.52.22.23.53.55.05.08.08.012.0在规化条件下，f = 1，由（3-26）式可以求得各面的规化曲率如下： 1

13、 = 1.117357614 2 = 2.850973917 3 = 1.26004013则焦距f = 36.5625mm时对应的曲率半径为r1 = f / 1 = 32.722mmr2 = f / 2 = 12.824mmr3 = f / 3 = 29.017mm2.5薄透镜加厚x2x1t1t2d2d1-x3DQ图 3-3 透镜边缘厚度与中心厚度的关系以上所求的是厚度为0的所谓薄透镜组，这种薄透镜对应理论分析与求解是有重要作用的，但无任何实际应用意义，也就是说，任何实际透镜都有厚度。因此，必须将上述薄透镜加厚。透镜的厚度不仅与球面半径和透镜直径有关，还涉及透镜的装夹方式、质量要求和加工难易程

14、度等因素。透镜厚度的确定大致可分为如下三步：2.5.1 确定透镜的全直径 透镜的全直径 与其通光孔径D的关系如下： = D + 式中 是透镜安装时的装夹余量，视装夹方式而定。透镜的装夹方式有两种：压圈法和滚边法，其装夹余量见表2-2（参见光学设计手册）所示。本例中，因为D = 2h = 2 4.875 = 9.75mm，采用压圈法固定，查表得 = 1.0mm，故该显微物镜的外径 = 10.8mm。2.5.2 确定透镜的中心厚度透镜中心厚度的确定除了与球面曲面半径和透镜外径有关外，还要考虑透镜焦距、精度及加工情况。一般有两种方法确定：作图法和计算法。作图法是根据光学设计手册中有关光学零件中心和边

15、缘厚度的规定（GB1205-75标准，见表3-2），按实际口径作图确定。计算法主要考虑透镜在加工、装夹过程中不易变形，根据中心厚度D、边缘厚度t和外径D之间满足一定经验公式来确定，这种经验公式参见光学设计手册。由图10-3得，透镜中心厚度、边缘厚度与两球面矢高的关系为：d = t x2 + x1 （3-47）式中x1、x2为球面矢高： i = 1, 2 （3-48）本例中，我们采用查表法确定透镜厚度。由表10-3，应有d1 1.0，t2 0.8。计算得：x1 =0.45，x2 = 1.19，x3 = 0.51。则t1 1.74，d2 2.5。于是，我们取d1 = 1.2mm，d2 = 2.8m

16、m。计算出中心厚度和边缘厚度后，可按实际尺寸（或按比例）作图验证。2. 5.3 确定厚透镜的曲率半径由公式（3-3）可知，当每个球面的u和u 不变时，P、W保持不变，放大率 = nu/n u 亦不变。另一方面，当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则系统的光焦度也不变。根据这两个原则，透镜由薄变厚时，一般需把由薄透镜确定的曲率半径值，变换为相应的厚透镜的曲率半径值。当相对孔径不大时，D、r和d都较大，可不作厚度变换。这样引入的像差、放大率、焦距和共轭距离变化都较小，可在后续的像差校正中予以修正。这样，我们就确定了本设计的初始结构参数如下：i r d 玻璃 nD nF nC1 32

17、.722mm 1.2 ZF1 1.6475 1.66119 1.642072 12.824mm 2.8 K9 1.5163 1.52195 1.513893 29.017mm经过像差计算，得该初始结构所对应的像差为：h/hm : 1.0 0.85 0.707 0.5 0.25 0.0 L : 2.5107 1.2515 0.5892 0.1545 0.0259 0.0000SC : 0.0015 0.0009 0.0005 0.0002 0.0001 0.0000 L FC : 1.2858 0.8052 0.4675 0.1270 -0.0734 -0.1810图3-5给出了该初始结构参数对

18、应的三色光的球差曲线。显然，该结果还需要作进一步的像差校正。5、像差校正；1.透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数：GENERAL LENS DATA:Surfaces : 8Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 25Glass Catalogs : SCHOTTRay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 152.27 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 152.27 (在像空间)Back Focal Length : 33.39723统计轨迹 : 197.7966图像空间F/# : 6.090801离轴工作

19、面F/# : 6.090801工作面F/# : 6.066698Image Space NA : 0.0818158物空间 NA : 1.25e-009光阑半径 : 12.5离轴像高 : 16.00422近轴放大率 : 0入瞳直径 : 25入瞳区域 : 0入瞳直径 : 25.01441入瞳直径区域 : -151.8234Field Type : Angle in degrees最大视场 : 6主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : 0.999424Fields : 3Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weigh

20、t 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 2.000000 1.000000 3 0.000000 6.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: 祄# Value Weig

21、ht 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000SURFACE DATA SUMMARY:Surf Type Comment Radius Thickness Glass Diameter Conic OBJ STANDARD 无限远 无限远 0 0 STO STANDARD 85.67779 7 BAK1 25.19576 0 2 STANDARD -68.97856 3 F2 25.31481 0 3 STANDARD -1073.516 30.82544 25.45459 0 4 STANDARD 无限远 124

22、.1083 BK7 26.70713 0 5 STANDARD 无限远 32.86283 30.02877 0 6 STANDARD 无限远 0 31.99318 0 7 STANDARD 无限远 0 31.99318 0 IMA STANDARD 无限远 31.99318 0EDGE THICKNESS DATA:Surf Edge STO 4.897511 2 4.095798 3 30.900893 4 124.108313 5 32.862830 6 0.000000 7 0.000000 IMA 0.000000INDEX OF REFRACTION DATA:Surf Glass

23、Temp Pres 0.486133 0.587562 0.656273 0 20.00 1.00 1.00000000 1.00000000 1.00000000 1 BAK1 20.00 1.00 1.57943457 1.57250012 1.56948658 2 F2 20.00 1.00 1.63208146 1.62004014 1.61503169 3 20.00 1.00 1.00000000 1.00000000 1.00000000 4 BK7 20.00 1.00 1.52237629 1.51680003 1.51432235 5 20.00 1.00 1.000000

24、00 1.00000000 1.00000000 6 20.00 1.00 1.00000000 1.00000000 1.00000000 7 20.00 1.00 1.00000000 1.00000000 1.00000000 8 20.00 1.00 1.00000000 1.00000000 1.00000000THERMAL COEFFICIENT OF EXPANSION DATA:Surf Glass TCE *10E-6 0 0.00000000 1 BAK1 7.60000000 2 F2 8.20000000 3 0.00000000 4 BK7 7.10000000 5

25、 0.00000000 6 0.00000000 7 0.00000000 8 0.00000000F/# DATA:F/# calculations consider vignetting factors and ignore surface apertures. Wavelength: 0.486133 0.587562 0.656273 # Field Tan Sag Tan Sag Tan Sag 1 0.0000 deg: 6.0503 6.0503 6.0667 6.0667 6.0767 6.0767 2 2.0000 deg: 6.0440 6.0479 6.0604 6.0642 6.0703 6.0741 3 6.0000 deg: 5.9938 6.0279 6.0101 6.0442 6.0199 6.0542CARDINAL POINTS:Object space positions are measured with respect to surface 1.Image space positions are meas