光学设计报告

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1、湖北第二师范学院光学系统设计题目：望远镜的设计 姓名：刘琦 学号:1050730017 班级：10 应用物理学目录望远系统设计第一部分：外形尺寸计算第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计）第三部分：目镜的设计第四部分：像质评价第五部分心得体会望远镜设计第一部分：外形尺寸计算一、各类尺寸计算1、计算 f 和 foe由技术要求有：Df=O又 D = 30mm，所以 f = 120mm。又放大率戶6倍,所以f 二e6 = 20mm。2、计算D出=30D出D 30物=5mmr 63、计算仏场D= 2f tgw = 2 x 120 x tg 4o = 16.7824mm视场4、计算 （目镜视场）

2、rx tg=tgn 沁 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:O将普罗I型棱镜展开，等效为两块平板，如下图: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%。(DD )/(DD )视-一棱/14=视-物1 22 J/1 24丿移出梯形后计算：120，此处后截距取大于1

3、4mm 即可，我取 14mm。又 D物二 30mm，D视场二 167824mm，所以有。棱 16.574mm ,所以展开厚度L二2D二33.15mm，因为装配需要，取L二33.5mm，空气平 棱L板的长度d =22.1mm。即n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 二 2+D， 现在有 25%的渐晕， 所以二 2 (f+ f)tgoe二 22.08mm。D(因为莎出e7、总体结构总尺寸 L 二 59.8 - 2 +14 + 20 +1

4、0 +10 二 91.8 + 20 二 111.8 沁 110mm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 , 2= 8 , f = 120 mm0目镜：f = 20mm 2 = 45.5 , D = 5mm , l 8 10mm出z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

5、（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：物镜双胶合；目镜凯涅耳目镜。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。0表 5-1 望远物镜通用的相对孔径焦距f/mm501001502003005001000相对孔径D / f1:31:51:

6、41:51:61:81:10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2e= 4050，相对镜目距p/f= 1/2。OO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 f = 120mm, D = 30mm, 2 = 8oo1、求 h, h , Jzh = = 15mm2由设计条件，有

7、I h = 0（孔径光阑在物镜框上）I J = n u y = 1.4089= 0.125,y= f tg =8.3912mm,n=1）o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2L = 2x33.5 = 67mm，所以有 工 S = n21 du4 =0.006906,Ipn3其中 d = 67mm,n = 1.5163(K9),u = 0.125,u = 0.6096,v = 64.06 ；p工SIIpIpu(p) = 0.003404 u工CIpd (n 1)u 2 = 0.003667n2v3、双胶合物镜像差 双胶合物镜像差

8、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）S = 0.006906即双胶合像差2IS = 0.003404IIC =+0.003667I进行归一化后：C1) C t C, C =亠=0.0019581h 2pP = = 0.0004064 h2）求 P、W：2W = f = 0.0032453J(S = hP JW,h = 0) II zzP = - = 0.20808 = P (h申)3=0.2077 = WP = P（因为是望远系统，物就在无穷远，所以此时有_ ）W = W4) 求 P0若冕牌玻璃在前：P = P 0.85(W + 0.1

9、)2 = 0.198220若火石玻璃在前：P = 0 0.85(W + 0.2)2 = 0.2080305) 查表，选玻璃对根据C_二0.001958与P的值查光学设计手册，可知BaK2-ZF2玻璃对在 0C_二0.002时，P二0.217434，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选BaK2-ZF2 0玻璃对。根据光学手册关于BaK2-ZF2玻璃对的详细信息：P0=0.260234， Q0=-4.208478， W0=0.073668申=1.112774，A=2.404959, K=1.7024791n1=1.5399， n2=1.67256）求形状系数QP 8_ PQ = Q i：0 因A

10、V P，所以该式无解0斗 A0W W useeo 0.2077 + 0.224789 ：心乞Q = Q +& = 55087553 += 5.09750 K1.7172697）求归一化后的透镜各面曲率半径p = q+竺阳4141n 11p = Q + 9 二罰1606821p = Q + 竺-丄=-0.W3 n 1 n 122所以：r = f 莎30371p1r = f = 33.7.97n2p2r= 57fe.9mm3p38）求厚透镜的厚度和口径 具体公式要看图写出，此图是凹透镜在前凸透镜在后物镜外径的确定。根据设计要求：D二30mm。物镜用压圈固定，其所需余量由光学设计手册 查得为2mm,

11、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3d + 7t D中精度6d + 14t D 其中还必须满足d 0.05D对凹透镜：高精度8d + 2t D且d 0.05D 中精度 16d + 4t D 且d 0.03D 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。由图可知中心厚度d二t - x + x另取8d + 2t二D1 1 2 1D + 8 (x x ) 所以有：凹透镜：t二_-10式中 x 、x 为

12、球面矢高，可由下式求得：12x = r式中d为外径，当r0时，取负号，当r0时，取正号。式中人为折射球面半径，D为透镜外径。凹透镜最小中心厚度d二t x + x1 1 2 1代入物镜的相关参数，可得dl=2.56, d2=7.634 同理可得：凸透镜：t =D 3 (x + x )12310凸透镜最小中心厚度为d =t + x + x2223代入物镜的相关参数，可得 d1=2,56，d2=7.634二、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：4o，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

13、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 d1=2.56,d2=7,d3=59.8,d4=33.5,d5=2,d6=33.5 同 时 有 n1=1.5399,n2=1.6725,n3=1,n5=K9,n5=1,n6=K9。输入 TCOS 运行计算：1）焦距119.5120.5mm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-波长，即可得到边光球差的容限公式为：5L4m nu 2m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5 L = 0时的m带光球差容限为5 L 6八=0.2

14、262mm0.707 nu 2 m实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。固此时边光球九h差的容限为 1 倍焦深。即：5L 二 0.0377mm. （ u 二 u二一二 0.125 ）m n u 2mf moii）位置色差：AL = 0.0377mm。若放宽要求，全孔径范围都小于0.1即FC nu 2m可；iii）慧 差 ： 我 们 用 慧 差 代 替 正 弦 差 SC 0.0025 ， 即 弧 矢 慧 差K S = S衣萨0 . 0 0 2 5 8虫3即小于0.02即可。修改r、 r、 r达到以上要求！123三、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