光学课程设计_——林伟东4

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1、工程光学课程设计报告题 目 数码望远镜系统的设计院 系 机电工程系 专 业 测控技术与仪器 姓 名 林 伟 东 学 号 1009251006 班 级 B1001 班 指导教师 徐云璞 二零一三年六月目 录1.设计目的及意义 .32.数码望远镜主要特点 .43.数码望远镜技术参数 .54. 数码望远镜定义及原理 .55镜头及整体尺寸的选择 .65.1 物镜组的选取 .65.2 目镜组的选取 .75.3 数码望远镜外形尺寸设计 .76数码望远镜的基本组成及电学参数 .116.1 组成 .116.2 数码望远镜电学参数 .117. 数码望远镜需要消除的像差类型及主要结构形式 .128 棱镜转像系统

2、.139.设计报告 .1410. 参考文献 .151.设计目的及意义在现在科学技术中，由于数码望远镜结构简单，成像清晰，能够用较小的机身长度实现超长焦的效果，在加上先进的数码功能，可以实现较为清晰拍照录像功能，大大拓宽了望远镜的应用领域数码望远镜具备的拍照功能，可以保存人生历程中经历的众多难忘瞬间，广受体育运动教练员、球探、猎鸟人、野生动物观察员、狩猎爱好者以及任何一个摄影、摄像爱好者的青睐。目前国内很多公安、军警、野生动物保护已经利用数码望远镜的优势，应用到工作中了，尤其是公安部门，他们可以轻松的远程拍照取证2.数码望远镜主要特点 通过镜头内部镜片的移动而改变焦距。当我们拍摄远处的景物或者是

3、被拍摄者不希望打扰时，长焦的好处就发挥出来了。对于镜头的整体素质而言，实际上变焦范围越大，镜头的质量也越差。10 倍超大变焦的镜头最常遇到的两个问题就是镜头畸变和色散。紫边情况都比较严重，超大变焦的镜头很容易在广角端产生桶形变形，而在长焦端产生枕形变形，虽然镜头变形是不可避免的，但是好的镜头会将变形控制在一个合理范围内。 3.数码望远镜技术参数放大倍数 8 倍 镜头直径 30mm 棱镜系统 Roof 棱镜类型 BK-7 镀膜 多层镀膜 1000 米视野 107 米 重量 419 克 像素 500 万 存储卡（SD）插口 内存 16 兆 LCD 液晶显示屏 1.5 英寸彩色 电池 AAA(2)4

4、. 数码望远镜定义及原理数码照相望远镜 = 望远镜 + 数码相机 + 摄像机 + 监控远距离摄像头 +USB 移动硬盘 +SD 读卡，是一种用于观察拍摄及录制远距离物体的目视光学仪器。在数码望远镜的工作系统中，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏并结成影像，透过接目镜和棱镜，我们可以在观景窗中看到外面的景物。与此相对的，一般数码相机只能通过 LCD 屏或者电子取景器（EVF）看到所拍摄的影像。显然直接看到的影像比通过处理看到的影像更利于拍摄。 其原理如下图所示：图 1 数码望远镜原理图5镜头及整体尺寸的选择5.1 物镜组的选取物镜组主要参数： 等效焦距 相对孔径 视场角f/fD2物镜组

5、的种类： 双胶物镜双分离物镜双单和单双物镜三分离物镜摄远物镜为了获得较高的放大倍数与分辨率，我们选择双分离物镜。双分离物镜同样由一块正透镜和一块负透镜组成空气间隔，如图所示。图 2双分离物镜具有下列优点A.物镜的口径不受限制。因此，一些大口径的物镜都用双分离物镜，而不用双胶物镜。B.能够利用空气间隔校正剩余球差，增大相对孔径。在一般焦距(100 一 150 mm)时，相对孔径可达 1：251：3。它的缺点是：光能损失增加，加工安装比较困难，特别是两透镜的共铀性不易保证。5.2 目镜组的选取目镜组主要参数： 像方视场角 相对出瞳距离 工作距离 S2目zfl目镜组的种类： 惠更斯目镜冉斯登目镜凯涅

6、尔目镜对称目镜 无畸变目镜艾尔弗目镜。根据其像方视场角及相对出瞳距计算公式应选取惠更斯目镜，其结构及特点惠更斯目镜它由两个单透镜构成，间隔为 d。 如下图。光学特性为 =4550，21/2目zfl天方望远镜中常采用惠斯更斯目镜。它的缺点是由于不存在实像面，因此不能安装分划镜。【惠更斯目镜结构示意图】 【惠更斯目镜光路示意图】5.3 数码望远镜外形尺寸设计主要参数计算公式： fxyfxUtanu2 lfdlxxd=1.22/D tanta60D由此可得1.物镜和目镜之间的距离 mL3152.数码望远镜放大镜的倍数 203.物方视场角 求解如下：2o 1. 目镜的视场角 ：267.1tan20ta

7、tan 1230.452.数码望远镜的分辨率 ：由望远镜分辨率与视放大率关系式： 32063. 物镜的通光口径 ：D物镜的口径取决与分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，望远镜口径与放大率的关系满足 ，为减轻眼睛负担，可取 及 ，这里系数取3.2,10.5D )2(1.5 ，则: mD3.14. 出瞳直径 ：D5.120 5. 物镜焦距 与目镜焦距 ：物f目f203目物 目物fLmf3015物 目6. 视场光阑的直径 ：视D根据三角形定则，计算视场角，： R视场光阑物镜 物f mffD46.17.tan302tan2物物视7. 目镜口径 ：目出瞳目镜目Rzl目镜的视场角 ，以及出瞳直径

8、 限制了目镜的口径，据此计算：2z2mRDmlxz34.167.1023tan75.tan目目目8. 出瞳距 ：zlO目镜物镜出瞳RLzl孔径光阑选在物镜框上，轴外光束的主光线通过物镜中心 O，假定在目镜组的投射高为R mLllRLzz 75.1203)tan()t(ant Q9.目镜的视度调节量：视度的调节范围一般为 SD= 视度。则目镜的轴向移动量 x 等于 mfSDxf目15.105222 目其结构图如下6数码望远镜的基本组成及电学参数6.1 组成一、镜头 镜头使景物成倒象聚焦在胶片上。为使不同位置的被摄物体成象清晰，除镜头本身需要校正好象差外，还应使物距、象距保持共轭关系。为此，镜头应

9、该能前后移动进行调焦，因此较好的照相机一般都应该具有调焦机构。 二、取景器 为了确定被摄景物的范围和便于进行拍摄构图，照相机都应装有取景器，包括光电传感器 CCD 与数字信号处理器 A/D。三、控制曝光的机构快门和光圈 为了适应亮暗不同的拍摄对象，以期在胶片上获得正确的感光量，必须控制曝光时间的长短和进入镜头光线的强弱。于是照相机必须设置快门以控制曝光时间的长短，并设置光圈通过光孔大小的调节来控制光量。 四、LCD 显示屏带望远镜的数码相机，望多远拍多远相机镜头与望远镜镜头同步调节变焦。五、USB 接口通过 USB 接口，拍照后可在个人电脑上欣赏照片支持 JPEG 单张静态照片或 AVI 动态

10、照片具有抽取式硬盘功能，传输照片或动态影像到你的电脑上，只需透过简单的步骤便可观赏、编辑、打印影像可快速的透过电子邮件方式传送精采画面与你的亲朋好友分享自动与手动双重模式切断电源功能，可延长电池使用寿命 USB 接口即插即用 。 六、SD 卡可使用 SD 闪存卡具内存 16MB Flash ，可使用 SD 卡，最大支持 1G 。七、机身 它既是望远镜的暗箱，又是照相机各组成部分的结合体。6.2 数码望远镜电学参数电荷藕合器件图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以

11、后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当 CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD 特点 矩阵式 CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。通常矩阵式 CCD 用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在 CCD 矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有 G-R-G-B 和 C-Y-G-M 两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为