光学设计报告.doc

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、计算和由技术要求有：，又，所以。又放大率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）该望远系统采用普罗I型棱镜转像，普罗I型棱镜如下图：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%。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59.8mm。验算：取59.8mm会不会挡轴上点的光？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，但是不能取得太大，否则棱镜离物镜太近了会挡光！6、求目镜口径无渐晕时候，现在有25%的渐晕，所以。（因为）7、总体结构总尺寸二、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：，目镜：，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（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。表5-1 望远物镜通用的相对孔径焦距/mm501001502003005001000相对孔径1:31:51:41:51:61:81:10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，相对镜目距。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。（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）即双胶合像差进行归一化后：1）2）求P、W：3）求、： （因为是望远系统，物就在无穷远，所以此时有）4）求若冕牌玻璃在前：若火石玻璃在前：5）查表，选玻璃对根据与的值查光学设计手册，可知BaK2-ZF2玻璃对在时，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选BaK2-ZF2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，A=2.404959，K=1.702479n1=1.5399，n2=1.67256）求形状系数Q 因，所以该式无解-5.47177）求归一化后的透镜各面曲率半径 0.3414-3.16068 -1.9074所以：373037-37.97-62.918）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：。物镜用压圈固定，其所需余量由光学设计手册查得为2mm，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 中精度 其中还必须满足对凹透镜：高精度 且中精度 且式中，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 另取所以有：凹透镜：式中、为球面矢高，可由下式求得：式中D为外径，当r0时，取负号，当r14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为25mm。6、lz 810mm最终的各项技术指标均满足要求，具体如下：1、 望远镜的放大率6.12倍；出瞳直径D=4.9mm；2、 物镜的相对孔径D/f0.2496；3、 望远镜的视场角28；4、 考虑棱镜的折叠，系统总长只有105.25mm，考虑到最终装配，实际总长约为110mm；5、 棱镜最后一面到分划板的距离14.55mm，两棱镜间隔为2mm。出瞳距离lz =9.98mm 第五部分 心得体会 对于本次望远镜的设计，我们首先要根据望远镜的特点去考虑整个望远系统的结构设计，望远镜相对孔径不大，视场较小，高级像差比较小，所以它不需要矫正对应像高的二次方以上的各种单色像差与垂轴像差，只需矫正球差，彗差和轴向像差，同时我们也需要舍弃一部分像差来达到设计要求，比如这次设计主要是0.7视场内的成像质量，那么0.7以外的成像区像差可以适当调整，可能会大一些，成像质量不可能矫正到完美无像差的程度;望远镜一般由薄透镜组成，所以它采用了双胶合物镜和对称式双胶合目镜来矫正上述像差，提高系统成像质量；在计算r，d，n过程中，物镜相对来说比目镜要简单一些，同时要注意渐晕程度要求，计算d时要全面的x1，x2等公式中的正负号的选取，计算完后要与实际情况可设计要求来检验是否合理与正确性。 目镜的系统也更复杂，所以目镜是采用现有的凯涅耳目镜，它不仅能矫正上述像差，还能矫正垂轴像差，并且能使场曲减小，目镜结构也缩短了。设计目镜时，我们需要按光路反追，把实际系统的出瞳作为反向光路时的目镜入瞳，即入瞳直径等于系统要求的出瞳直径，开始没注意到按反向光路去设计光路，导致系统像差很大，光路偏折很离奇，不符合实际情况。在改变系统结构与优化函数优化时，需要分析各结构参数对各种像差的影响大小与方向，然后决定改变那个参数，当作变量，不能盲目的去改变参数，再去优化，得出新像差结果，多次重复前面的工作，直到系统达到要求为止，注意并不是所有参数多设为变量就好。在矫正像差时，我们也可以考虑把物镜部分的剩余像差与目镜的互相补偿，可以进一步提高全系统的像质。对于物镜，全孔径球差满足像差容限0.0377的要求，0.707孔径球差为亦小于6倍焦深。位置色差由于宽度较大，无法满足全孔径及零孔径处均在容0.0377内，但0.707孔径处基本为零，保证了全孔径及零孔径处轴向色差绝对值基本相等。而弧矢彗差则全在像差容限内，保证了成像质量。