应用光学课程设计.doc

应用光学课程设计目录一、望远镜系统外形尺寸计算二、物镜1. 物镜的选型及像差容限的计算2. PW法求解初始结构参数3. 象差校正及玻璃配对4. 像差曲线图三、目镜1. 目镜选型2. 像差容限的计算3. PW法求解初始结构参数4. 象差校正及玻璃配对5. 像差曲线图四、像质评价及光瞳衔接五、光学设计学习体会六、光学系统图及零件图一、望远镜系统外形尺寸计算1.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6倍；2、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D30mm）；3、望远镜的视场角28；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25mm。6、lz 810mm2.外形尺寸计算已知 =，物镜/=1/4, =30mm, =50%, =.1、求，. 4120mm，/6，20mm2、（出瞳直径） =5mm.3、视场半径（视场半径） =8.39124、目镜视场2= 2=5、目镜的放大率250/250/20=6、棱镜的通光口径 h=7.5 (分划板)取14 则有 (-a)/ =(-h)/( -) =8.287棱镜的通光口径 216.574展开的长度 2 33.15加压圈，取33.5用玻璃，1.5163 ，d/n=22.1(等效空气平板厚度) c b a C=59.8棱镜不拦轴上点的光的条件：(-) /=/(D/2) =53.8 C=7、目镜的口径=(+)tan(w)+ /4=(120+20)*tan+5/4=22.088、结构图正视图物镜 俯视图 b a =110mm一、物镜1.物镜的选型及相差容限的计算（1）选型 D/=1/4 , =120 , 视场不大。 选双胶合物镜（2）相差容限的计算需要校正的像差为球差，弧矢慧差，位置色差。1、球差的像差容限当仅仅考虑初级像差时，经离焦后最大波相差由下式决定可得边缘光球差容限为=4倍焦深当系统同时具有初级和二级球差时（大多数光学系统属于此类），在对边光校正好球差后，0.707带的光线具有最大的剩余球差。做的轴向离焦后，系统的最大波象差由下式决定，令其小于或等于，便可以得出边光球差时的带光球差容限，即即由于实际中，边缘光的球差并未校正到零，但必须控制在一倍焦深范围内，故边光球差的容限应为代入数据，得2、弧矢慧差的像差容限弧矢彗差的象差容限计算公式为将已知数据代入计算可得3、位置色差的像差容限在考察位置色差时，为了兼顾各个孔径光线，应当着重考虑0.707H口径光线的，使其尽量接近于0。此时0H和1H的光线的绝对值较为接近。这种情况就是位置色差校正的理想状况。2.PW法求解初始结构参数1、求h, ,Jh=D/2(第一近轴光线在折射面的高度), (第二近轴光线的高度),J入瞳与物镜重合 =0.=tan=h/=15/120=0.125=-*tan(w)=-120*tan(-)=8.3932J=n*u*y=1*0.125*8.3912=1.04892、计算玻璃平板的象差u=0.125, =w=-=-0.0665, /u=-0.5557 实际两块玻璃厚度=2d=68.2 (玻璃) 1.5163, =64.1 n=1.5163,u=0.125, =64.1玻璃平板 球差-*(-1)/*=-0.006096彗差*(/u)=0.003404轴向位置色差(/)*(n-1)* / 0.0036673、列出初级象差方程并求解物镜的象差和棱镜补偿（等值反号）物镜0.006096 , =-0.003404, =0.003667(a) 根据求C并规化为=/()=0.003667/(15*15)*120=0.001956规化后的象查只与结构参数有关(P,W)而与外部参数无关(b) 根据,求P,W=hP , P=0.0004064=P-JW , W=0.0032453(c) 将P、W规化为, , 0208077680.2076992(d) 物体位于无穷远 , = =0.2080768 =0.2076992(e) 求 (0.001956)冕牌玻璃在前=0.198217火石玻璃在前=0.208034、根据与选玻璃对由用插值法求出不同玻璃对的(公差左右)相对孔径越小,对影响越小,要求和尽可能小根据要求查得的玻璃对有:(=0.265)F2-K9（=0.225）K9-F5（=0.098）F4-K3（=0.217）选取（ 冕牌在前）BaK2-ZF2,参数如下=2.02102, A=2.404959, K=1.7024729,=-4.208478, =0.260234, n1=1.5399 n2=1.6725, 计算结果如下:根据 , ;8, 求Q (11)根据所求Q值以及，求，即可求得 = （12）计算透镜厚度1）2) 3) 凸透镜最小中心厚度4）5）综上，列初始数据汇总表r/mmd/mm玻璃牌号STO73.89325.106012-56.12692.7053BaK23-198.4210ZF23.物镜的象差校正及玻璃配对调节的参数为，而需要校正的像差为球差，弧矢慧差，位置色差。经过自动优化选项的辅助，校正结果如下： 程序注释：设计时间：2011年3月26日 02:32:05 下午-输入数据-1.初始参数物距 半视场角() 入瞳半径 0 4 15 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 7 3 0 1 -1理想面焦距 理想面距离0 0面序号 半径 厚度 玻璃STO 73.7900 5.100 1 2 -56.8900 2.700 BAK2 3 -197.7000 55.000 ZF2 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 2.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0000 14.921 K9 定义了下列玻璃: K9 1.5163 1.521955 1.513895 ZF2 1.6725 1.687472 1.666602 BAK2 1.5399 1.546276 1.537226 ZF5 1.7398 1.758714 1.732434 ZK6 1.6126 1.619999 1.609499-计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 119.99218 14.92124 -118.90262 14.92124 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率(?) 0.00000 -106.17038 138.92950 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D) 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U) 30.00000 30.27488 -0.31467 0.12501-计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 119.99218 14.92124 -118.90262 14.92124 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率(?) 0.00000 -106.17038 8.39067 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D) 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U) 30.00000 30.27488 -0.31467 0.125012.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵 -0.0345 -0.0631 -0.0635 -0.0421 -0.0174 0.0000弥散园 銵R -0.0044 -0.0068 -0.0056 -0.0026 -0.0007 0.0000F光球差 銵F 0.0857 0.0166 -0.0142 -0.0253 -0.0204 -0.0138C光球差 銵C -0.0130 -0.0269 -0.0161 0.0171 0.0491 0.0705轴向色差 腖FC 0.0987 0.0435 0.0018 -0.0424 -0.0694 -0.0842*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts 1 0.0000 -106.1039 -8.3855 -0.8593 -0.4245 -0.4349 .85 0.0000 -106.1223 -7.1289 -0.6222 -0.3071 -0.3151 .7071 0.0000 -106.1371 -5.9312 -0.4314 -0.2128 -0.2186 .5 0.0000 -106.1538 -4.1947 -0.2161 -0.1065 -0.1096 .3 0.0000 -106.1645 -2.5171 -0.0779 -0.0384 -0.0395 鋂z 鋂zF 鋂zC 膟FC 銵T 銵S 1 0.0052 0.0170 0.0001 0.0169 -0.0343 -0.0366 .85 0.0032 0.0132 -0.0012 0.0144 -0.0343 -0.0360 .7071 0.0018 0.0102 -0.0018 0.0119 -0.0344 -0.0355 .5 0.0007 0.0065 -0.0019 0.0084 -0.0344 -0.0350 .3 0.0001 0.0037 -0.0014 0.0051 -0.0344 -0.0347 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H 1 0.0520 0.0224 0.0036 0.0159 0.0073 0.0012 .85 0.0443 0.0191 0.0030 0.0135 0.0061 0.0010 .7071 0.0369 0.0159 0.0025 0.0112 0.0051 0.0009 .5 0.0262 0.0113 0.0018 0.0079 0.0036 0.0006 .3 0.0157 0.0068 0.0011 0.0047 0.0021 0.0004*高级像差*銵sn 銵Ty KTsnh KTsny-0.04623 0.00017 -0.00359 0.00014Xtsn Xssn 銵FC 膟FCsn-0.00169 -0.00055 0.18285 0.00000*垂轴像差* 没有考虑实际渐晕系数 （即认为渐晕系数都为 1）-子午垂轴像差（鋂t） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.06182 -0.06503 -0.06033 -0.04661 -0.02964 0.00000 .85 -0.03912 -0.04435 -0.04222 -0.03304 -0.02112 0.00000 .7071 -0.02214 -0.02859 -0.02824 -0.02241 -0.01438 0.00000 .5 -0.00554 -0.01254 -0.01360 -0.01097 -0.00698 0.00000 .3 0.00152 -0.00464 -0.00578 -0.00437 -0.00250 0.00000 0 -0.00435 -0.00676 -0.00564 -0.00264 -0.00065 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 0.16589 0.13429 0.10519 0.06743 0.03678 0.00000 .85 0.12777 0.10337 0.08046 0.05079 0.02722 0.00000 .7071 0.09601 0.07778 0.06012 0.03722 0.01947 0.00000 .5 0.05787 0.04740 0.03621 0.02147 0.01059 0.00000 .3 0.02992 0.02559 0.01937 0.01069 0.00467 0.00000 0 0.00435 0.00676 0.00564 0.00264 0.00065 0.00000-子午光线对弥散圆直径 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 0.22770 0.19932 0.16552 0.11403 0.06642 0.00000 .85 0.16688 0.14772 0.12269 0.08383 0.04834 0.00000 .7071 0.11814 0.10637 0.08836 0.05963 0.03385 0.00000 .5 0.06341 0.05993 0.04981 0.03245 0.01757 0.00000 .3 0.02839 0.03023 0.02515 0.01506 0.00716 0.00000 0 0.00870 0.01352 0.01128 0.00528 0.00131 0.00000-弧矢垂轴像差分量（鋂s 鋃s） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 1 0.01594 -0.05847 0.01094 -0.05258 0.00727 -0.04363 0.00348 -0.02939 0.00122 -0.01666 .85 0.01348 -0.04346 0.00925 -0.03988 0.00615 -0.03309 0.00294 -0.02198 0.00103 -0.01222 .7071 0.01117 -0.03142 0.00766 -0.02968 0.00509 -0.02464 0.00243 -0.01602 0.00085 -0.00866 .5 0.00786 -0.01789 0.00539 -0.01823 0.00358 -0.01514 0.00171 -0.00933 0.00060 -0.00466 .3 0.00470 -0.00923 0.00323 -0.01089 0.00214 -0.00906 0.00102 -0.00505 0.00036 -0.00210 0 0.00000 -0.00435 0.00000 -0.00676 0.00000 -0.00564 0.00000 -0.00264 0.00000 -0.000654.象差曲线图二、目镜1.目镜的选型， 20 10mm，选择凯涅尔目镜-出瞳入瞳场镜接眼镜2.相差容限的计算目镜像方视场角，口径，镜目距。综合考虑以上数据，并结合校正色差的需要，最终选择了凯涅耳目镜。目镜是一个典型小孔径大视场光学系统，因此在校正过程中考虑与视场有关的5种像差，即子午慧差，象散，场曲，畸变，倍率色差。目镜像差容限应满足下表经过计算化简后，上表可以进一步简化如下0.01410.01410.01410.81.62.40.41960.58741.00690.020.030.06以上就是目镜所需校正的5种像差的像差容限。3.pw法求解初始结构参数 =20, =1.2=24, =-10(反追), 单透镜象散彗差同时为零, , , , =0.92利用,=0找玻璃, 应尽量是接近于零,以减小高级象差选择双胶合镜: 相关的参数如下 , , , , =0.9458, 入瞳=409963+=2.71火石玻璃在前, =-0.2 =-2.5 =0.48191.7794=-1.507611.2397 41.506 -15.076（r为正，则取，若为负，则取） 1.5 4.5 2.4 2.0 1.5 正透镜1.5 负透镜4.5场镜的结构计算如下: (取玻璃) 由 -10,24, 得-17.2=-17.2-18=-35.2 取=-42.2取5mm, =120+5=125 得=31.4, 31.4(1.5163-1)=16.212综上，列初始数据汇总表r/mmd/mm玻璃牌号141.5061.51211.23974.5ZF33-15.07618ZK3416.2124.515K94.目镜的象差校正及玻璃配对调节的参数为，而需要校正的像差为子午慧差，象散，场曲，倍率色差。各个参数经过调整，以及自动优化的辅助，配对后的象差计算结果如下：程序注释：设计时间：2011年3月27日星期日 06:01:55 下午-输入数据-1.初始参数物距 半视场角() 入瞳半径 0 22.75 2.5 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 5 3 -10 0.5 -0.5理想面焦距 理想面距离0 0面序号 半径 厚度 玻璃STO 27.9900 1.500 1 2 11.9120 4.500 ZF3 3 -24.9500 15.300 ZK3 4 15.4880 4.500 1 5 0.0000 4.443 K9 定义了下列玻璃: ZF3 1.7172 1.734681 1.710371 ZK3 1.5891 1.595862 1.586242 K9 1.5163 1.521955 1.513895-计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 20.25060 4.44261 -6.62177 4.44261 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率(?) -10.00000 125.83353 8.49178 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D) 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U) 5.00000 -29.97219 -0.31450 0.123452.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵 -0.1969 -0.1419 -0.0980 -0.0489 -0.0176 0.0000弥散园 銵R -0.0244 -0.0150 -0.0086 -0.0030 -0.0007 0.0000F光球差 銵F -0.1999 -0.1458 -0.1026 -0.0543 -0.0235 -0.0062C光球差 銵C -0.1852 -0.1299 -0.0857 -0.0363 -0.0048 0.0129轴向色差 腖FC -0.0147 -0.0160 -0.0169 -0.0180 -0.0187 -0.0191*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts 1 -10.0000 47.8558 -8.1320 0.9731 -0.9816 1.9547 .85 -10.0000 58.9299 -6.9568 0.5339 -0.7121 1.2460 .7071 -10.0000 71.1492 -5.8375 0.2963 -0.4978 0.7941 .5 -10.0000 91.3909 -4.1807 0.1143 -0.2532 0.3675 .3 -10.0000 110.9373 -2.5327 0.0343 -0.0924 0.1267 鋂z 鋂zF 鋂zC 膟FC 銵T 銵S 1 0.3598 0.3707 0.3514 0.0192 0.3072 -0.1811 .85 0.2612 0.2755 0.2525 0.0230 0.0230 -0.1876 .7071 0.1670 0.1816 0.1587 0.0229 -0.0932 -0.1913 .5 0.0652 0.0774 0.0586 0.0188 -0.1622 -0.1945 .3 0.0149 0.0229 0.0107 0.0122 -0.1871 -0.1961 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H 1 -0.1022 -0.0435 -0.0069 -0.0119 -0.0057 -0.0010 .85 -0.0464 -0.0202 -0.0033 -0.0062 -0.0030 -0.0005 .7071 -0.0236 -0.0104 -0.0017 -0.0037 -0.0018 -0.0003 .5 -0.0096 -0.0044 -0.0007 -0.0019 -0.0010 -0.0002 .3 -0.0041 -0.0019 -0.0003 -0.0010 -0.0005 -0.0001*高级像差*銵sn 銵Ty KTsnh KTsny0.00043 0.50418 0.00763 0.04872Xtsn Xssn 銵FC 膟FCsn-0.19021 -0.00697 0.00434 0.00930*垂轴像差* 没有考虑实际渐晕系数 （即认为渐晕系数都为 1）-子午垂轴像差（鋂t） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 0.04718 0.04868 0.04704 0.03981 0.02770 0.00000 .85 0.01910 0.02325 0.02440 0.02192 0.01557 0.00000 .7071 0.00074 0.00708 0.01039 0.01126 0.00859 0.00000 .5 -0.01546 -0.00693 -0.00155 0.00239 0.00291 0.00000 .3 -0.02298 -0.01340 -0.00705 -0.00167 0.00033 0.00000 0 -0.02445 -0.01495 -0.00858 -0.00302 -0.00065 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 -0.25160 -0.18359 -0.13398 -0.07999 -0.04146 0.00000 .85 -0.11185 -0.08534 -0.06484 -0.04082 -0.02209 0.00000 .7071 -0.04785 -0.03892 -0.03128 -0.02110 -0.01200 0.00000 .5 -0.00379 -0.00624 -0.00717 -0.00654 -0.00436 0.00000 .3 0.01473 0.00770 0.00323 -0.00016 -0.00097 0.00000 0 0.02445 0.01495 0.00858 0.00302 0.00065 0.00000-子午光线对弥散圆直径 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 0.29878 0.23227 0.18102 0.11979 0.06916 0.00000 .85 0.13096 0.10859 0.08925 0.06274 0.03766 0.00000 .7071 0.04859 0.04600 0.04168 0.03236 0.02059 0.00000 .5 0.01168 0.00070 0.00562 0.00893 0.00727 0.00000 .3 0.03770 0.02110 0.01028 0.00151 0.00129 0.00000 0 0.04890 0.02991 0.01716 0.00605 0.00130 0.00000-弧矢垂轴像差分量（鋂s 鋃s） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 1 -0.01189 -0.13772 -0.00839 -0.11197 -0.00571 -0.08975 -0.00280 -0.06076 -0.00099 -0.03542 .85 -0.00623 -0.10833 -0.00443 -0.08667 -0.00303 -0.06851 -0.00149 -0.04559 -0.00053 -0.02626 .7071 -0.00368 -0.08391 -0.00263 -0.06574 -0.00181 -0.05098 -0.00090 -0.03311 -0.00032 -0.01874 .5 -0.00191 -0.05509 -0.00139 -0.04110 -0.00096 -0.03039 -0.00048 -0.01849 -0.00017 -0.00995 .3 -0.00101 -0.03571 -0.00073 -0.02456 -0.00051 -0.01659 -0.00026 -0.00870 -0.00009 -0.00406 0 0.00000 -0.02445 0.00000 -0.01495 0.00000 -0.00858 0.00000 -0.00302 0.00000 -0.000655.象差曲线四、像质评价及光瞳衔接1、物镜1) 焦距f经过校正后，f的最终值为119.99218MM，达到了1200.5mm的标准。2) 球差的最终值为-0.0345，达到了0.037的标准。3) 弧矢慧差的最终值为0.0159，达到了0.02的标准，且其绝对值相当小。这个像差的校正结果理想。4) 轴向色差轴向色差校正的结果中，=0.0987，=0.0018，=-0.0842。可见孔径为0.707H时取值相当接近0，而与的绝对值也相当接近。因此位置色差的校正结果相当好。综合以上分析可以看出，在物镜像差校正结果中，所有的目标参数都达到要求。其中弧矢慧差和位置色差的校正结果相当理想，球差和弧矢慧差的校正结果达到容限以内。2、目镜1) 焦距f经过校正后，f的最