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1、光科11光学设计课程设计望远镜设计（附计算指导）一、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/f1：4（D为入瞳直径，D30mm）；3、望远镜的视场角28；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25mm。6、lz=810mm二、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“光学设计课程设计”，班级、姓名、学号。2、外形尺寸计
2、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、用ZEMAX优化设计像差校正；厚度取整；光瞳衔接。 打印数据，像差曲线；五个像差容限表。要求目镜像差容限：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。要求物镜像差容限：球差：1H孔径小于1倍焦深， 0.707H带球差小于6倍焦深=0.226。色差：全孔径范围都小于0.1；慧差：弧矢慧差小于0.02即可。5、像质评价。自述，是否达到像差容限要求，什么原因。6、学习的心得体会。三、参考书目：1、 郁道银 谈恒
3、英，工程光学，机械工业出版社，2007。2、 刘钧高明，光学设计，国防工业出版社，2012。3、 毛文炜，光学镜头的优化设计，清华大学出版社，2009。4、 黄一帆 李林, 光学设计教程，北京理工大学出版社2009。5、 Joseph M. Geary， Introduction to lens design with ZEMAX，Willmann-Bell出版社，2002-08。6、 Smith ，Modern Lens Design - A resources manual，McGraw-Hill Professional; July 1, 1992。四、附：课程设计计算指导说明：1、本指
4、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，作为光学设计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。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6倍，所以。2、计算
5、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
6、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）（
7、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：，
8、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119.5120.5mm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
9、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
10、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-ZK63）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
11、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67mm，接眼镜厚度6mm，场镜厚度0.81mm，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（810mm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19.520.5mm；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。7、
