光学课程设计报告——华中科技大学.doc

.光学课程设计报告姓名：糜健 班级：光信0802学号：U200813208目录1.设计任务及要求21.1设计任务21.2设计技术要求22.设计步骤22.1总体设计流程图22.2光学系统外形尺寸的计算32.2.1 望远镜基本结构参数的确定32.2.2普罗型转向棱镜外形尺寸的计算32.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算52.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算82.3像差调节102.3.1物镜的调节：102.3.2目镜的调节：122.3.3像质评价154.附录：零件图与系统图164.1双胶合物镜正透镜零件图174.2光学系统图181.设计任务及要求1.1设计任务双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）1.2设计技术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 810mm。2.设计步骤2.1总体设计流程图 2.2光学系统外形尺寸的计算2.2.1 望远镜基本结构参数的确定焦距：由D/f1=1：4，f1=4D=120mm。又因为=f1/f2，f2=f1/=20mm。出瞳大小：D=D/=5mm。分划板口径：D分=2f1tan=16.7824mm。出瞳的视场角：因为=tan/tan ，=4，2=45.522。2.2.2普罗型转向棱镜外形尺寸的计算普罗型转向棱镜基本结构如下：普罗型转向棱镜是由两块等腰直角棱镜所构成的，具有转向的功能，可以解决开普勒望远镜成倒像的问题，使其成正立的实像，在本双筒望远镜系统中，棱镜位于目镜与分划板之间，对一块等腰直角棱镜进行棱镜的展开如下：如图，D为棱镜的通光口径，L为棱镜的展开长度，由几何关系可知：L=2D。即可以将一块等腰直角棱镜展开为厚度为L的玻璃平板，玻璃平板又可以等效为厚度=L/n的空气平板，其中n为玻璃平板的折射率。因此系统可以等效为由物镜、目镜、分划板、两空气平板所组成得系统。将两空气平板放置在物镜与分划板之间，结构图如下：由于系统可以50%渐晕，对于以最大视场角入射的平行光，如下图所示，分划板可以拦掉下半部分全部光线，使上半部分的光线全部通过。但是此法使最中间的光线不能全部通过而产生50%的渐晕，将使最终的成像质量比较差。为了解决上述方法带来的主光线成像质量的问题，采用下图所示的方法，使上下各25%的光产生渐晕，从而保证中间视场成像清晰。其中，下半部分25%的渐晕由目镜完成，上半部分25%的渐晕则借助于空气平板来拦光。当上光线的一半刚好被空气平板拦住时，几何关系如下图所示： 三角形ADE中，由平行关系可以得到： h-D4D分2-D4=120-a120因为a=14，取a=14.1，可以解之得：h=8.2864mm，因此通光口径D=2h=16.5670mm，为了给棱镜的装夹预留空间，通常使D稍大于2h，取D=16.6mm，则L=2D=33.134mm，空气平板厚度=L/n =21.8954mm（棱镜材料采用最常见的K9玻璃，n=1.5163）而平板间距b规定为25mm，取b=2.5mm，所以第一块玻璃前表面到棱镜的距离为： C=120-a-b-2x=120-14.1-2.5-2x21.8954=59.6092mm。系统整体框架图如下：由图中的几何关系可知：物镜、目镜的间距为：l=c-b+a+20=91.2092mm，因此目镜的口径为：D目=(f1+f2)tanw+D/4x2=22.0795.2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算外形尺寸：D=30mm，f1=120mm，4，sinUmtanUm=15120=0.125物镜类型的选择像质上，由于望远物镜视场比较小，所以只需要校正球差、色差和正弦差等轴上点像差即可。我们选择折射式望远物镜，主要有以下三种。I.双分离物镜，优点是对玻璃的选择有较大的自由度，但是装配和校正都较麻烦，有较大的色球差，不宜在本设计中使用。II.三片型物镜，由一个胶合透镜组和一个单片透镜组成，有利于高级球差和色球差的校正，但是装配与校正工艺较复杂，成本高，不宜采用。III.双胶合物镜。特点是结构简单，制造与装配方便，但只适合小孔径的场合（最大100mm），视场角不超过10，本物镜口径30mm，最大视场角8，满足要求，故选择双胶合物镜。PW法计算物镜的初始结构（双胶合物镜）求h，hz，J h=15，hz=0，J=nuy=nuy=1x0.125x8.3912=1.0489计算平行平板的像差 物镜的像差 要使 物镜+平板 系统的像差最小，即可以让二者的像差之和为零，互相抵消，即： 求P、W及归一化 ，因为使P、W归一化得： 选物镜组合及其结构计算 选择火石玻璃在前的双胶合物镜，可知 根据P0、CI的值从光学仪器手册中查找火石在前的玻璃组合，选取玻璃对F4+K3，同时可查得此对玻璃组合的参数为： =-1.112774，Q0=5.087553，P0=0.217434，W0=-0.224789 所以Q0因此Q=5.087553-0.06914=5.0184根据Q值求r1，r2，r3归一化还原可得物镜的初始结构： 透镜厚度的计算将双胶合物镜翻转180度，如下图所示：正透镜在前，负透镜在后。图中从左往右各面的半径依次为：r1，r2，r3，由上面计算的结果可知：r1=427.35，r2=-30.72，r3=-56.844，由几何关系：同理可得：透镜最小边缘厚度为于是正透镜厚度为：4对负透镜，4所以： 厚度d1=2.624 d2=5.9242.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算目镜类型的选择目镜是小孔径、大视场、短焦距、光阑远离透镜组的光学系统，像差较为复杂。重点考虑影响清晰度的彗差（）、像散（）、场曲、倍率色差和畸变。目镜一般的种类有： I.惠更斯目镜：由场镜、视场光阑及接目镜组成，但是由于分划板的存在，使目镜结构复杂化了，不宜在本设计中使用。 II.冉斯登目镜：由场镜与接目镜组成，但是其能适应的视场为2=3040，而本设计中2=45.5，不宜采用。III.对称式目镜：由两个双胶合透镜组成，但是2=4042，而且结构较复杂，不宜采用。考虑到视场与复杂度，选择凯涅尔目镜，它是由一个接眼镜与场镜组成，接眼镜为一个双胶合透镜。参数如下： f2=20mm，2=45.522，D目=5mm，lz:810mm。对于接眼镜，按照一般经验，取f眼=1.2f2=24mm。 PW法计算接眼镜与场镜的初始结构 由于目镜的入瞳距较大，出瞳距较小，故采用反追的方法，即出瞳看做入瞳，所有的量都变号，如此可以大大简化分析与计算的复杂度。根据像差要求求P、W.选择火石在前的双胶合透镜，要使彗差、场曲为零，则使即 又因为 解得： 因为 （代表归一化后的入瞳距），代人上式得查表并求出接眼镜的初始结构根据、的值从光学仪器手册中查找火石在前的玻璃组合，选取玻璃对ZF6+ZK10,同时可查得此对玻璃组合的参数为：，由以上参数可以算得：归一化还原可得接眼镜的初始结构： 求出场镜的初始结构对场镜：取d=17mm，考虑到透镜的厚度，取，因为由，场镜用K9玻璃，则考虑到透镜的厚度对像差的影响比较小，而且一般取整数或者一位小数，取 d1=1.5mm d2=4.5mm2.3像差调节以上过程计算的光学系统初始结构的过程都只考虑了初级像差，没有考虑高级像差，因此与实际相比均存在较大的误差，需要对像差进行进一步的调节。采用TCOS光学设计软件，调节目镜、物镜的像差，使其满足像差容限的要求。2.3.1物镜的调节：物镜部分包括双胶合物镜与两块等腰直角棱镜，需要矫正的像差主要包括球差、轴向色差、正弦差等等。像差容限计算如下：球差： L0.707h=0.226Lm=0.0377倍率色差：=0.0377正弦差： =(0.000250.0025)对于轴向色差，矫正最好时应该满足：0孔径与全孔径的轴向色差互为相反数，根据轴向色差的性质，即让0.707孔径的轴向色差尽量接近于零。 系统包括七面，双胶合物镜三面，棱镜四面。调节物镜各个面的半径，使其满足像差容限的要求，然后套用1000系列的标准半径，最终的结果如下所示：（未列出高级像差）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 56.8900 3.000 12 30.8300 6.000 F43 -429.5000 52.000 K34 0.0000 33.200 15 0.0000 2.500 K96 0.0000 33.200 17 0.0000 15.628 K9定义了下列玻璃:F4 1.6199 1.632096 1.615036K3 1.504558 1.510019 1.502222K9 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)119.79040 15.62804 -119.79469 15.62804入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率(?)0.00000 -104.15798 8.37656 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 29.99890 -0.31467 0.125222.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵 0.0241 -0.0487 -0.0668 -0.0503 -0.0217 0.0000弥散园 銵R 0.0030 -0.0052 -0.0059 -0.0032 -0.0008 0.0000F光球差 銵F 0.1206 0.0071 -0.0411 -0.0559 -0.0461 -0.0346C光球差 銵C 0.0613 0.0031 -0.0043 0.0234 0.0588 0.0843轴向色差 腖FC 0.0593 0.0040 -0.0368 -0.0794 -0.1050 -0.1188*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts1 0.0000 -104.0896 -8.3718 -0.8414 -0.4202 -0.4212 .85 0.0000 -104.1086 -7.1171 -0.6092 -0.3040 -0.3052 .7071 0.0000 -104.1238 -5.9214 -0.4223 -0.2106 -0.2117 .5 0.0000 -104.1409 -4.1877 -0.2116 -0.1054 -0.1061 .3 0.0000 -104.1519 -2.5128 -0.0763 -0.0380 -0.0383 鋂z 鋂zF 鋂zC 膟FC 銵T 銵S1 0.0048 0.0156 0.0001 0.0156 0.0392 0.0231 .85 0.0030 0.0121 -0.0011 0.0132 0.0350 0.0234 .7071 0.0017 0.0094 -0.0017 0.0110 0.0317 0.0236 .5 0.0006 0.0060 -0.0018 0.0078 0.0279 0.0239 .3 0.0001 0.0034 -0.0013 0.0047 0.0255 0.0240 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H 1 -0.0386 -0.0128 -0.0016 -0.0089 -0.0034 -0.0005.85 -0.0325 -0.0108 -0.0013 -0.0077 -0.0029 -0.0004 .7071 -0.0269 -0.0090 -0.0011 -0.0064 -0.0024 -0.0003 .5 -0.0189 -0.0063 -0.0008 -0.0045 -0.0017 -0.0002 .3 -0.0113 -0.0038 -0.0005 -0.0027 -0.0010 -0.0001各主要关注的像差的像差曲线如下所示：2.3.2目镜的调节：目镜部分包括接眼镜与场镜，系统总共5面。需要矫正的像差主要为：弧矢彗差、象散、场曲、畸变与倍率色差。像差容限的要求如下表所示。像差类型视场角260KT2P2P2PXts2倍屈光度4倍屈光度6倍屈光度Xt，Xs2倍屈光度4倍屈光度6倍屈光度q=Yz/Y5%7%12%YFC0.001f目0.0015 f目0.003 f目表中，60代表全孔径此外，P=，一倍屈光度为：在判断彗差时，只需判断孔径与视场之积小于0.5的孔径与视场，其余的情况可以不予考虑。按照上表的像差容限的要求，合理调整各面得半径，满足要求后套用1000系列的标准半径，最终得到目镜像差调整的的结果如下所示：（未列出高级像差）-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 -8.2 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1 39.9900 2.000 12 13.3050 4.000 ZF63 -18.1970 17.000 ZK104 14.9970 2.000 15 0.0000 K9 定义了下列玻璃: K9 1.5163 1.521955 1.513895 ZF6 1.755 1.774755 1.747325ZK10 1.622 1.629739 1.618769-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) 19.90419 3.57399 -4.83380 3.57399 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率(?) -8.20000 121.26639 8.34652 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 -29.56474 -0.31450 0.125602.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵 -0.3895 -0.2797 -0.1926 -0.0958 -0.0344 0.0000弥散园 銵R -0.0492 -0.0300 -0.0171 -0.0060 -0.0013 0.0000F光球差 銵F -0.3966 -0.2874 -0.2008 -0.1045 -0.0434 -0.0093C光球差 銵C -0.3756 -0.2656 -0.1784 -0.0814 -0.0199 0.0145轴向色差 腖FC -0.0210 -0.0218 -0.0224 -0.0231 -0.0235 -0.0238*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts1 -8.2000 48.5788 -8.3102 0.3010 - 1.2284 1.5294 .85 -8.2000 59.4940 -7.0267 0.2379 -0.8392 1.0771.7071 -8.2000 71.2993 -5.8447 0.1653 -0.5629 0.7283.5 -8.2000 90.3188 -4.1467 0.0801 -0.2749 0.3549.3 -8.2000 108.0905 -2.4974 0.0278 -0.0980 0.1258 鋂z 鋂zF 鋂zC 膟FC 銵T 銵S 1 0.0364 0.0460 0.0288 0.0172 -0.2481 -0.4420.85 0.0679 0.0801 0.0602 0.0199 -0.3354 -0.4211 .7071 0.0571 0.0695 0.0500 0.0195 -0.3681 -0.4088 .5 0.0266 0.0369 0.0210 0.0159 -0.3845 -0.3980 .3 0.0066 0.0133 0.0030 0.0102 -0.3886 -0.3923 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H1 -0.0364 -0.0148 -0.0022 0.0009 0.0004 0.0001 .85 -0.0098 -0.0034 -0.0004 0.0029 0.0013 0.0002 .7071 0.0003 0.0009 0.0002 0.0032 0.0015 0.0002 .5 0.0043 0.0024 0.0005 0.0026 0.0012 0.0002 .3 0.0036 0.0019 0.0003 0.0016 0.0007 0.0001 各个需要重点关注的像差的像差曲线如下所示。2.3.3像质评价I.物镜对于物镜的像差，基本上能够满足要求，球差、弧矢彗差的情况还比较好，但是轴向色差尝试了很多遍也没有将0.707孔径的轴向色差调节到最小，最终只能调整到-0.0368，使0孔径与全孔径的没能相互抵消，这将一定程度上影响最终成像的质量。II.目镜目镜的像差相对于物镜要复杂得多，需要调节的像差更多，而各像差之间相互依赖，导致很难把所有像差都矫正到像差容限之内。其中最难矫正的是垂轴色差与场曲，二者此消彼长，最终调节的结果刚好满足要求，象散险些超过容限值。整体上看，目镜的调节情况较好，没有出现较大的偏差，像质应该不错。III.光瞳的衔接从光学系统的整体图分析可知，要使目镜系统与物镜系统实现光瞳的衔接，必须使：物镜的出瞳距+物镜的后截距+目镜的后截距=目镜的出瞳距，根据实际调节出来的结构，带入上式中。可知方程左边=104.15798+15.62804+3.574=123.36，而右边=121.27，方程左右两边的差距远远小于10，说明整个系统光瞳衔接较好。总体来说，本次像差调节的结果基本上能够满足要求，光瞳衔接也比较准确，具体各零件的相对位置见附录中的系统图。3.学习体会三周的光学课程设计很快就结束了，我既高兴又有点迷茫。高兴的是，这门很“烦人”的课程终于结束了，有一种解脱感。迷茫的是，虽然把光学设计的步骤走了一遍，但是在知识层面上仍然不会光学设计，每一步都是照着老师讲的一步步演算下去，公式都是一模一样，仅仅改动了几个数据，自己在计算的每一步都是小心翼翼，严格照搬，因为过程中有太多的不理解，书上的公式很多，可很多时候我不能理解为什么选取这个公式。这门课程最大的收获是：我知道了什么是光学设计，光学设计的基本流程，以及设计过程的艰辛。为什么在整个过程中很痛苦？我总结了一下，首先是上学期的应用光学课程没有真正理解，最终只是应付了考试。由于应用光学中很多结论都是直接给出的，我的思维往往只是被动地接受，没掌握其核心思想，比如高斯成像的提出，我当时觉得就无法接受。如此的越积越多，对应用光学得理解只停留在表面。到这学期的课程设计，我还是那样理解，导致越学越痛苦，越艰难。在调像差的过程中，很辛苦