望远镜设计计算指导

《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指导说明：1、本指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《应用光学》课程设计的实习范例。实验报告需在此根底上完善和修改，严禁全盘抄袭本指导，否那么作0分处理！2、本指导省略了理论分析局部，计算依据请参考有关资料。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Γ＝6倍；2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4〔D为入瞳直径，D＝30mm〕；3、望远镜的视场角2ω＝8°；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2～5mm。6、lz′=8～10mm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局部：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Γ＝6倍，所以。2、计算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，但是拦掉哪一局部光呢？拦掉下半局部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，保存中间的50%。即保存中间像质好的，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()物镜距棱镜第一面为。验算：取会不会挡轴上点的光？如图求得极限距离为，假设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，否那么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。第二局部：PW法求初始结构参数〔双胶合物镜设计〕〔PW法理论略〕一、求解本设计的结构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。〔假设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〕求假设冕牌玻璃在前：假设火石玻璃在前：查表，选玻璃对。5〕例如选取了K9-F5玻璃对查表有：所以；。取“—”号时比拟接近。所以注意，这是规化后的。所以二、上机计算根据之前的计算，已根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：，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，平面曲率为infinity。另外有，同时有。输入zemax运行计算：1〕焦距119.5～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。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、、到达以上要求！〔可以选取别的玻璃对作为双胶合物镜，有的容易校正像差，有的那么稍微困难，即使玻璃对选取相同，最后调整的结果也不相同，所以不要抄袭!〕修改好似差后，按照《光学设计手册》上p356页的外表半径数值表，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，那么到达要求！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？改变前面的那个厚度，从而使后截距到达要求！至此，物镜设计完毕，可以保存数据，图表，整理设计报告。第三局部：目镜的设计由于目镜的设计比拟复杂，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，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外表曲率半径：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，负场镜那么反之。设计思路：1〕我们前提系统出瞳的位置，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6～7mm，接眼镜厚度6mm，场镜厚度0.8～1mm，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〔8～10mm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19.5~；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。第四局部：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“应用光学课程设计”，班级、姓名、学号