内调焦望远物镜的设计

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1、电气工程学院课程设计说明书设计题目：内调焦望远物镜的设计系别： 工业自动化仪表年级专业： xx 级仪表 x 班学号： xxxxxxxxxxx 学生姓名： xxxxx 指导教师：童凯朱丹丹教师职称：副教授讲师燕山大学课程设计说明书- 2 - 电气工程学院课程设计任务书课程名称：光学仪器基础课程设计基层教学单位：自动化仪表系指导教师：王志斌学号xxxx学生姓名xx （专业）班级08 仪表 3 班设计题目简单望远物镜的设计设 计技 术 参 数焦距215f，相对孔径为 1:4.1。要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。 入瞳位置在物镜上。设 计 要 求计算望远物镜的各个参数； 上机用软件进行优化，确定

2、最后的设计结构，满足像差要求参 考 资 料1、刘钧，高明编著， 光学设计，2006，西安电子科技大学出版 社，西安 2、光学仪器设计手册 ，1971，国防科技出版社，北京 3、光学设计软件 ZEMAX 周次第一周第二周应完 成 内容计算设计处望远物镜的各个参数上机进行优化设计，确定最后的设 计结构指导教 师签字基层教学单 位主任签字 说明： 1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院教务科燕山大学课程设计说明书- 3 - 目录第一章摘要4 第二章设计原理4 2.1 内调焦望远镜的外形尺寸计算42.2双胶合物镜5 第三章初始结

3、构参数的计算63.1 结构类型的选择63.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解63.3 后镜组的初始参数求解8 第四章 使用 ZEMAX 软件优化10 第五章 总结 13 参考文献14燕山大学课程设计说明书- 4 - 第一章摘要本文中介绍了一种内调焦望远物镜的设计。根据要求的数据求出设 计的初始结构参数，焦距mmf215，前镜组相对孔径是1：4.1 ，后 镜组相对孔径为1：3.3. 并用 ZEMAX 软件仿真，校正球差、慧差和 轴向色差。但是由于误差的绝对存在，使的不可能达到非常理想的 地步，只能是误差在允许的范围内。第二章设计原理 2.1 内调焦望远镜的外形尺寸计算 所谓内调焦望远物镜，是指物

4、镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物 镜，利用负镜组对远近不同的物体进行调焦能使想始终位于一个固定的位置 上，故把这个起内调焦作用的负镜组称为调焦镜。由于调焦镜在镜筒内部， 调 焦时不改变筒长， 所以称为内调焦望远镜， 与外调焦望远镜相比， 它具有筒长 短、封密性好的优点，因此广泛用于大地测量仪器中。 负镜组可将主面提前，使筒长显著减小。其缩小比为fLm1-1焦距等效距离。是筒长；式中， fL在望远镜做测距用时，测距方程为scKls2-1式中，s是被测距离；l是读轮的读数，一般去K=100；sc是常数。 用望远镜测距时，用满足准距条件时，0211ffdL0sc.2015 2mmL一般取是前组到

5、转轴的距离，式中，。在大地测量仪器中，望远镜的主要作用是观察瞄准目标和测距。由于测 量仪器是在野外使用， 所以要求仪器的体积小、 重量轻、结构简单、使用方便、 效率高、质量好。为求出三个未知量dff和21,，需解下述三个方程组燕山大学课程设计说明书- 5 - 0211112121ff dLL fdfdf dffff3-1式中：L为自物镜前组像方主平面到物镜系统像面的距离；d为自物镜前组像 放主平面到调焦镜前主平面的距离；f为物镜系统焦距；1f为物镜前组焦距，2f为调焦镜焦距。2.2 双胶合物镜 望远镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差和慧差。由薄透镜系 统的初级像差理论知道， 一个薄透镜组

6、除了校正色差而外，还能校正两种单色 像差， 正好符合望远镜校正像差的需要， 因此望远镜物镜一般由薄透镜组构成。 由于双胶合物镜无法校正像散、场曲。因此它的可用试场受到限制，一般 不超过10，如果物镜后面有较长的棱镜，则由于棱镜的像散和物镜的像散符 号相反，因而可以抵消一部分物镜的像散，试场可达。 双胶合物镜无法控制孔 径高级球差， 因此它的可用相对孔径也受到限制。不同焦距时， 双胶合物镜可 能得到满意成像质量的相对孔径如表1 所示 表 1 双胶合物镜的焦距与相对孔径对应关系表f50 100 150 200 300 500 1000 fD1：3 1：3.5 1：4 1：5 1：6 1：8 1：1

7、0 一般双胶合物镜的最大口径不能超过mm100，这是因为当直径过大时，会使透镜的重量过大而胶合不牢固，同时当温度改变时， 胶合面上容易产生应 力，是成像质量变坏， 严重时可能脱胶。 所以，对于直径过大的双胶合物镜组， 往往不进行胶合， 而是中间用很薄的空气层隔开， 空气层两边的曲率半径仍然 相等。这种物镜从像差性质来说实际上和双胶合物镜完全相同。燕山大学课程设计说明书- 6 - 第三章初始结构参数的计算 3.1 结构类型的选择 由给出的技术参数为：焦距mmf215 通光口径mmD351 视场5.12 用内调焦望远镜物镜的公式3-1计算物镜外形尺寸，有上述公式可得。前组焦距：mmf1451后组焦

8、距：mmf532 两组之间的间隔：mmd78 对应的组合焦距和系统长度为：mmf2151 5 0 m mL透镜组的结构形式，是由它的光学特性确定的，我们首选看看前组， （1）前组透镜的光束口径就等于系统要求的通光口径，因此它的相对孔径 为：1.411 4 53511fD相对孔径接近 1/4，因此可以采用简单的双胶合物镜 （2）调焦组的通光口径2D。调焦组的通光口径可用光路计算的方法确定，应该按轴外上光线计算其口径: 16 1457814535 11 12 fdfDD调焦组的相对孔径为：3.31531622fD可以看出满足设计要求。 由于物镜要求的视场角很小 （5.12） ，所以用不着考虑校正轴

9、外相差， 只需要校正球差、慧差和轴向色差，因此前后两组可以各自独立的进行校正， 这样系统的装配误差对成像质量影响较小，后面我们可以采用前后组独立校正 像差的方案进行设计。3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解 这个物镜的视场教很小， 所以轴外像差不大。 主要校正的像差为球差、 正 弦差和位置色差，可用双胶合透镜。根据设计要求，设像差的初级量为零， 则按初级像差公式有燕山大学课程设计说明书- 7 - 02120SunLkk0210S unKkks0120CunlkkFC亦即002234WJhShS022112vvhC由此可得基本像差参量为0,00CW，4-1 再求0。由公式220 )2.0(85

10、.0)1.0(85.0WW5-1我们选择用冕牌玻璃进行计算。取1.00W，带入5-1，可得0085.01.0085.002 0根据0和C从附录 1 查玻璃组合。 由于 K9玻璃性能好而且熔炼成本低，因此应优先选用。可选它和 ZF2玻璃组合，当C=0时， 由附录 1 差得0=0.038。 从附录 2 差得 K9（1n=1.5163）和 ZF2（2n=1.6725）组合的双胶合薄透 镜组的各系数为0=0.038319，0Q=-4.284074 ，0W=-0.06099 1=2.009404，并取A=2.44, K=1.72 根据公式：0 00 0WWQQ Q6-1可得0QQ=-4.284074,

11、0WW=-0.06099 。从而求得各面的曲率燕山大学课程设计说明书- 8 - 7737.0 1112748.26173.1 15163.10094.25163.14284.0 12212 312111 1nnn QQnnQ再由公式求出球面半径好像差计算mmfrmmfrmmfr43.185 7737.021574.63 2.2747-21566.89 6173.1215332211根据半径数值和通光口径的要求，确定透镜的厚度。mmdmmdmmd10565.93213.3 后镜组的初始参数求解 根据已经选定的结构型式， 后组为一个双胶合透镜组， 求解的方法和前面 的求法完全相同。根据前面确定方法

12、，要求独立校正球差、慧差和轴向色差。 因此后组的三个像差特性参数必须等于零，即：0CW 再根据h的规划公式，显然有：0CW 由公式225141211uWWuWu7-1对后组来说：mmf53, mmdfl67781451791.0 67531lfu将791.0,01uW代入7-1，可求的05.289.2W；由公式5-1求的73.085.0200WW查表可得 ZF1-K7玻璃组合，火石玻璃在前。同理，可以求出后镜组的球 面对半径和各面的厚度燕山大学课程设计说明书- 9 - mmrmmrr03.5379.42654mmdmmd54.254最后的望远物镜的初级参数如表2 所示 。 表 2 内调焦望远物

13、镜的机构参数主要技术指标结构mmDmmffD355.122151.41面号r/mm d/mm Dn玻璃1 89.66 2 -63.74 9.5 1.5163 64.1 K9 3 185.54 6 1.6725 32.2 ZF2 4 5 -42.79 2.4 1.6473 33.9 ZF1 6 53.03 2 1.5688 56.0 BaF7 燕山大学课程设计说明书- 10 - 第四章使用 ZEMAX 软件优化优化前的各种曲线图：像差特性曲线图燕山大学课程设计说明书- 11 - 光程特性曲线图光学系统的调制传递函数图优化后的对应的曲线图：燕山大学课程设计说明书- 12 - 像差特性曲线图光程特性

14、曲线图燕山大学课程设计说明书- 13 - 光学系统的调制传递函数图第五章总结这次光学课程设计， 我介绍的是内调焦望远物镜的设计，虽然我学到的东西还不是很全， 更也需还没有达到老师的所希望的水平，但是在这几天的设计中，我和其他同学相互相互讨论，交换意见和建议， 并且包括了基础知识的积累、理论的成型。在这次课程设计中，我知道了光学的重要性，就从我的设计题目来看，我们就可以知道它的重要性，因为我们都知道现在又很多地方都用的到望远镜。特别是军队和天文学家们， 那表现的就更加明显了。 所以，我们就可以知道光学的重要性，设计的过程中， 我很快认识到了自己掌握的知识还不足，某些方面的能力还是不够。 这也让我

15、再次认识到知识的重要性，活到老，学到老，只有不断的充实自己、 完善自己的知识理论体系， 才能够更好的胜任自己以后的工作。而且，将理论在某平台的实现是要付出非常的努力和耐心、并不断修正错误多次燕山大学课程设计说明书- 14 - 试验、最后使理论和实践达成统一的过程。设计中的不足让我深刻的认识到认真的学习和尽量掌握各方面知识是很重要的。但是因为时间短促和自身水平的限制，设计中还有很多问题存在， 还有这样或那样的遗憾， 但我会在以后的学习中逐渐积累相关的知识和经验，所以，如果设计的结果没有让老师感到满意，或者没有达到老师要求的那样，希望老师能够理解，我已经很尽力了。总而言之，在这次课程设计中，在各方面我获得了很多，对我有很大补充。课设中酸甜苦辣， 我们和老师共同度过。 老师给了我们鼓励和动力。 老师的悉心教导和无时无刻的关怀让我有点感动。最后，向为期五天的光学课程设计说声拜拜，我很铭记这段时间， 铭记这段时间里得到的宝贵经验和老师们的悉心教导和栽培。参考文献【1】刘钧 高明. 光学设计 . 西安电子科技大学出版社.2006 【2】袁旭沧 . 光学设计 . 北京：科学出版社 ,1983 【3】光学仪器设计手册编辑组. 光学仪器设计手册