双筒棱镜望远镜设计

汉口学院 应用光学 课程设计报告 报告题目 报告题目 双筒棱镜望远镜设计 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 专业班级 专业班级 授课老师 授课老师 精品文档 2欢迎下载 二二 O O 一四年十一月一四年十一月 双筒棱镜望远镜设计双筒棱镜望远镜设计 设计任务与要求设计任务与要求 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 f 1 4 D 为入瞳直径 D 30mm 3 望远镜的视场角 2 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 目录目录 精品文档 3欢迎下载 一 外形尺寸计算 二 初始结构的选型 三 物镜初始结构参数的计算 四 物镜 zemax 的初始上机数据及像差图示 五 物镜 zemax 的校正数据及像差图示 设计步骤设计步骤 一 外形尺寸计算 已知望远镜参数 6 入瞳直径 相对孔径 2 8 L 110mm 30Dmm 1 4 D f 视场边缘允许 50 的渐晕 棱镜最后一面到分划板的距离 14mm 1 1 求 求 1 f 2 f 物镜焦距 1 4120fDmm 精品文档 4欢迎下载 目镜焦距 1 2 120 20 6 f fmm 2 2 求 求 D 出瞳直径 5 D Dmm 3 3 求视场直径 求视场直径 16 7824mm tan4f2 D 1 视 4 4 求目镜视场 求目镜视场 2 5 452tan tan 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 精品文档 5欢迎下载 目镜口径目镜口径无渐晕时候 现在有 25 的渐D目 晕 所以 由设计要求 视场边缘允许 50 的渐晕 可利用分划板拦去透 镜下部 25 的光 利用平板拦去透镜上部的 25 的光 这样仅有透镜 中间的 50 的光能通过望远系统 使像质较好 在上图中截取平板拦光部分的梯形进行研究 如下图 可得比 例关系 7 5120 8 39127 5120 ha 其中 为第二块平板的后表面a 到分划板的距离 根据要求 可取 14amm 解得 8 287hmm 由此可得 精品文档 6欢迎下载 等效平板厚度216 574Dhmm 所以棱镜展开的实际厚度 33 148LKDmm 考虑到棱镜的装配 取33 5Lmm 因此 等效空气平板厚度 33 5 22 1 1 5163 L dmm n 考虑到棱镜通光口径有限 因此需考虑到全孔径全视场的光线 要能通过棱镜的第一个面 如下图 则物镜到第一个棱镜前表面的 最小距离必须满足 其中 为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离 c 实际物镜到第一个棱镜前表面的距离 120259 8cabdmm 其中 为普罗 I 型棱镜系统的两棱镜的距离 根据要求 取 b 2bmm 由知 设计满足实际棱镜通光口径的限制 cc 精品文档 7欢迎下载 二 初始结构的选型 根据设计技术要求与外形尺寸计算结果 物镜 1 4Df 28 120fmm 目镜 20fmm 245 5 5Dmm 8 10 z lmm 由查阅资料与老师讲解知 物镜为大孔径小视场 而目镜为小孔 径大视场系统 可知双胶合物镜双胶合物镜与凯涅尔目镜凯涅尔目镜满足设计任务要求 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 对于目镜 大视场 小孔径 要校正 像散 场曲 畸变 慧差 倍率色差 相关的结构特点 像差特性和光学性能如下 精品文档 8欢迎下载 双胶合望远物镜 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 10 焦距 mm f 501001502003005001000 相对孔径 Df 1 31 51 41 51 61 81 10 凯涅尔目镜 接目镜为双胶镜 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 光学性能 视场 相对镜目距 240 50 1 2pf 望远物镜通用的相对孔径 双胶合物镜的光学结构凯涅尔目镜的光学结构 精品文档 9欢迎下载 三 物镜初始结构参数的计算 1 1 求求 h z h J 由设计条件 有 15 2 0 1 4089 0 125 8 3912 1 z o o D hmm h Jn u y h uyftgmm n f 孔径光阑在物镜框上 2 2 求平板像差求平板像差 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 u 0 125 uZ 0 0698 467 5 332 d5163 1 n1 64 3 3 求物镜像差求物镜像差 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 0 006096 IIP SS 003667 0 1 003404 0 006096 0 1 2 2 2 4 3 2 u n nd C u u SS u n n dS IP Z IPP IP 精品文档 10欢迎下载 0 003404 IIIIP SS 0 003667 IIP CC 1 根据根据求求 并规划成 并规划成 C CC 22 0 003667 1200 001956 15 C C h 2 2 根据根据求求 P P W W S S 0 006096 0 0004064 15 0 003404 0 0032453 1 0489 z S ShPP h S Sh PJww J 3 3 将将 P P W W 规化成规化成 PW 33 22 0 0004064 0 20808 0 125 W0 0032453 0 2077 0 125 P P h W h 4 4 物本身位于无穷远 则物本身位于无穷远 则 0 20808 0 2077PPWW 5 5 求求 0 P 取冕牌在前 则 19822 0 1 0 85 0 2 0 WPP 精品文档 11欢迎下载 6 6 选玻璃选玻璃 根据与查阅 光学仪器设计手册 选取 K9 F5 玻 0 001956C 0 P 璃对 初始数据为 7 7 求形状系数 求形状系数 8 8 求归一化条件下透镜各面的曲率求归一化条件下透镜各面的曲率 9 9 求薄透镜各面球面半径求薄透镜各面球面半径 精品文档 12欢迎下载 1010 求厚透镜各面球面半径求厚透镜各面球面半径 凸透镜最小边缘厚度 最小中心厚度 凹透镜最小边缘厚度 最小中心厚度 精品文档 13欢迎下载 四 物镜四 物镜 zemaxzemax 的初始上机数据及像差图示的初始上机数据及像差图示 1 1 初始上机数据初始上机数据 2 2 像差图示像差图示 2D 草图 精品文档 14欢迎下载 光线像差特性曲线 精品文档 15欢迎下载 光路特性曲线 精品文档 16欢迎下载 标准点列图 五 物镜五 物镜 zemaxzemax 的校正数据及像差图示的校正数据及像差图示 1 1 校