10倍观察镜的初始结构光学设计.doc

本文来自：奥艺光电技术网 () 转载请注明！10倍观察镜的初始结构设计韩正臣本文使用近轴光线光路计算的方法设计了一个10倍观察镜的初始结构，并使用双胶合物镜校正系统色差。在近轴光线的光路计算中使用MATLAB数学建模工具进行建模，简化繁琐而复杂的追光迹运算。一、技术指标放大倍率：10x；视场：2=5；出瞳直径：5mm；出瞳距：25mm；分辨率：5；渐晕系数：K=0.53;转像棱镜到分划板距离：a=10；转像棱镜：别汉棱镜。二、目镜1、首先根据视觉放大倍率及市场角2，求出2：=tg/ tg=argtg(tg)由于一般的目镜会有3%5%的负畸变，因此：2=2argtg(tg)(1+5%)由=5算出2502、根据确定的视场角、出瞳直径、出瞳距查光学仪器设计手册，选择合适的目镜。我选择了目镜2-28，结构图如图1，数据如表 1。另外目镜2-28的其他数据为：f=20.216;257lf=4.49;d=5.0。图1 目镜 2-28表1 目镜2-28的数据3、倒置目镜，数据如表2，求出倒置后的lf。表2 倒置的目镜2-28根据近轴光线光路计算公式进行光线追迹是复杂而繁琐的计算，特别是镜头片数比较多的时候更容易出错，因此，我使用数学建模工具MATLAB编写了近轴光路计算程序，以达到一劳永逸的目的。程序如下：%BEGIN%程序名称：近轴光线光路计算%程序建立：韩正臣 2008.12.05%公式引用：光学仪器设计手册P46 %2008.12.06 修改了平板玻璃的BUG%初始条件 l，ul=100000000000;u=0; y=10;r=157.04 -17.989 25.53 -25.53 50.93 -50.93 25.24 0; %需初始化半径数组d=6 1.8 10 0.2 5.5 0.2 5.3; %需初始化间隔数组n=1 1.4874 1.728 1.4874 1 1.5524 1 1.5524 1; %N数组len=length(r);for j=1:len fprintf(%d surface :n,j); if l=10000000000 %视为无穷远 u=0; if r(j)=0 %如果l=infinity,r=0表示平板玻璃,则跳过这个面 continue; else i=y/r(j); i2=i*n(j)/n(j+1); u2=i+u-i2; l2=i2*r(j)/u2+r(j); end else if r(j)=0 %r=0表示平板玻璃 i=-u; i2=i*n(j)/n(j+1); u2=-i2; l2=l*u/u2; else i=u*(l-r(j)/r(j); i2=i*n(j)/n(j+1); u2=i+u-i2; l2=i2*r(j)/u2+r(j); end end %转面 if length(d)=j l=l2-d(j); else l=l2; fprintf(finished:Lf=%f,l); end u=u2;end%END%程序计算结果：lf=18.275923 .4、计算出瞳距p .根据出瞳距公式：xfo, 为物镜焦距x=p-lf;根据牛顿公式：xx=ff,则有：fo (p-lf)=fe2，又有：fo=fe，于是：p=lf+fe/P=18.275923 +20.216/10=20.297523 .三、物镜由于观察镜的倍率为10，那么物镜的入瞳直径为10*d目=50mm,因此物镜的分辨率为=140/D=140/50=2.8,符合系统需求。物镜选择消色差双胶合物镜,则有：1+2=1/v1+2/v2=02=v2/(v2-v1)查找光学仪器设计手册，外面选择冕盘在前的玻璃对：K9(n=1.5163,v=64.1)ZF1(n=1.6475,v=33.9)=1/fe=0.0049466则有:1=0.0105,2=-0.0056 .根据焦距计算公式：=(n-1)(c1-c2)+(n-1)2dc1c2/n 或 f=nr1r2/(n-1)n(r2-r1)+(n-1)d令双胶合c1=-c2 ,d1=10,d2=5则有： 求r1，同样可以使用MATLAB计算：%fai=1/202.16v2=33.9v1=64.1fai1=fai*v1/(v1-v2)fa2=fai-fai1b=-2;d=10;n=1.5163;a=d/n;c=fai1;x1=(-b+sqrt(b2)-(4*a*c)/(2*a)x2=(-b-sqrt(b2)-(4*a*c)/(2*a)c1=x1/(n-1)c2=x2/(n-1)r1=1/c1r2=1/c2%运算结果有两个：1.733和96.616496.6164为合理解，因此r1=96.6164 r2=-96.6164 .同样求r3 ：%fai=-0.0056c2=-0.0104d=5n=1.6475c3=(fai-(n-1)*c2)/(d*(n-1)2)*c2/n-n+1)r3=1/c3%运算结果为r3=-582.6569并使用前面的追光迹程序，算出双胶合的lf=187.052269整理双胶合数据：L=infinity f=202.16 2=5 D=50 lf=187.052269rdnv96.6164101.516364.1-96.616451.647533.9-582.6569187.052269三、场镜在目镜设计中已经算出出瞳距为;20.297523,但是本题中要求出瞳距为25mm，因此该系统需要使用一个场镜。根据牛顿公式：xx=ff,则有：l (p-lf)=fe2，又有：fo=fe，若p=25：l(25-18.275923)=20.2162目镜的入瞳应该为：l= -65.48941那么针对场镜：l=-202.16l= -65.48941则根据1/l-1/l=1/f可求出场镜的焦距：f=-96.87场镜外面选择材料为ZF1、厚度为1的平凹透镜：其半径r=f(n-1)=-62.7233，前主面到平面的距离为：lH=-d/n=-1/1.6475=-0.60698整理场镜数据：rdnv-62.723311.647533.9infinity 四、棱镜的计算棱镜选择材料为K9的别汉屋脊棱镜，查手册可知其展开长度的系数K=5.155棱镜展开长度L=KDPDP为棱镜的通光口径，可由下式计算得到：tan=(kDo-D分)/2fo k为渐晕系数 Do为入瞳口径Dp=D分+2（a+dp）tan a棱镜到分划板的距离，dp为棱镜展开长度等效空气层的距离dp=KDP/n D分=2fo tan%MATLAB%w=pi*2.5/180f=202.16Df=2*f*tan(w) %分划板孔径 Do=50 %物镜口径k=0.53 %渐晕K1=5.155%棱镜展开系数n=1.5163a=10 %棱镜到分划板的距离tana=(k*Do-Df)/(2*f)Dp=(Df+2*a*tana)/(1-(2*K1*tana)/n)%END%结果：Dp=21.25由于棱镜需要装卡，通常外面需要将孔径做得比理论值大一些，凑整取Dp=23。则棱镜展开后的长度为5.155*23=118.565等效空气层的厚度为：dp=KDP/n=5.155*23/1.5163=78.2 .五、组合系统观察镜的结构图如图所示（棱镜已经展开）：图2 观察镜等效光路图在双胶合物镜计算的时候已经算出其BFL=187.052269，即胶合镜片的最后一面到分划板像面的距离为187.052269，但是在此范围内我们加入了场镜和别汉棱镜，因此我们应该确定他们的空气间隔。平凹透镜的平面作为分划板的面,且前主面到后平面的距离为：lH=-0.60698，因此：BEL=d1+d2/nk9+d3+|lH|BEF=187.052269lH=-0.60698D3=10D2=118.565所以d1=98.193另外d4=4.49(目镜的lf)到此我们已经算出整个观察镜的全部数据，整理如下表：=10x ; 2=5;d=50mm ; d=5mm ; lp=25mm ; =5 ; K=0.53 ; a=10 .rdvdnd96.6164 101.516364.1-96.6164 51.647539.3-582.656998.193Infinity 118.5651.516364.1Infinity 10-62.723311.647539.3Infinity4.49157.0461.487470.0-17.9891.81.728028.325.53101.487470.0-25.530.250.935.51.552463.3-50.91.552463.3inf