光学课程设计--双筒棱镜望远镜设计

光学课程设计报告目录设计任务与要求3设计步骤4一、外形尺寸计算4二、光学系统选型6三、物镜的设计71、用PW法计算双胶合物镜初始结构7（1）求，7HZJ（2）求平板像差7（3）求物镜像差7（）计算，8（）归一化处理8（）选玻璃8（）求形状系数9（）求归一化条件下透镜各面的曲率9（）求薄透镜各面的球面半径9（）求厚透镜各面的球面半径92、物镜像差容限的计算103、物镜像差校正114、物镜像差曲线13四、目镜的设计141、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构14（）接目镜的相关参数计算14（2）场镜的相关参数计算152、目镜像差容限的计算163、目镜像差校正174、目镜像差曲线20五、光瞳衔接与像质评价201、光瞳衔接202、像质评价213、总体设计评价21学习体会22附零件图与系统图24设计任务与要求设计题目双筒棱镜望远镜设计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/F14（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、LZ810MM设计步骤一、外形尺寸计算由入瞳直径及相对孔径，可得30DM14DF物镜焦距142F由，知6出瞳直径5目镜焦距12026FM由物方视场，可得目镜通光口径3122084DDFTGM分划板直径21678FT分划板半径839又由，可得4TGTG像方视场25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，如下图普罗I型棱镜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75120839HA其中为第二块平板的后表面到A分划板的距离，根据要求，可取。14M解得827H由此可得等效平板厚度1654DM所以棱镜展开的实际厚度38LK考虑到棱镜的装配，取因此，等效空气平板厚度52163DMN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83912H75120棱镜展开图_1/2FCHD其中为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。_C代入数据，得_871205C解得_3CM因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离C满足120598CABD其中为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取2BM由知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。_C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，/14DF28120FM目镜，0M5D810ZL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。10焦距/MMF501001502003005001000相对孔径/DF131514151618110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。表1望远物镜通用的相对孔径凯涅尔目镜的光学性能是视场，相对镜目距。2405/12PF三、物镜的设计1、用PW法计算双胶合物镜初始结构（1）求，HZJ入瞳半径152DM第二近轴光线在入瞳的入射高度0ZH拉赫不变量158392148JNUY（2）求平板像差243106IPSDNZIIU210367IPDCN其中3567M1N02U418Z（3）求物镜像差图2凯涅尔目镜的光学结构图1双胶合物镜的光学结构物镜像差要与平板像差以前校正，因此物镜与平板相应的像差之和应为零069IIPS34II7IIPC（）计算，由，ISHIZJW得，04603245IS（）归一化处理_328PH_207W_21956ICH又望远物镜物在无穷远，所以_PW可得（冕牌玻璃在前）2_0850198P（火石玻璃在前）2_003（）选玻璃根据与的值查光学设计手册，可知F4K3玻璃对在时，_1956C0P_02C，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选F4K3玻璃对。02743P根据光学手册关于F4K3玻璃对的详细信息，0105873Q024789W，2749A16K，169N215046N（）求形状系数_00PQA_00WK因，取下式的值，得_P0592Q（）求归一化条件下透镜各面的曲率11847N2139Q230273N（）求薄透镜各面的球面半径1549FRM123F135789FRM（）求厚透镜各面的球面半径物镜外径的确定。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30D2MM，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7DT中精度614其中还必须满足05D对凹透镜高精度且82T中精度且3D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。凸透镜2310DXT式中、为球面矢高，可由下式求得2X322R式中人为折射球面半径，D为透镜外径。凸透镜最小中心厚度为12DXT同理可得凹透镜2180T凹透镜最小中心厚度112DTX代入物镜的相关参数，可得，6M0D2、物镜像差容限的计算根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。令其小于或等于波长，14即可得到边光球差的容限公式为24MLNU对边光校正好球差后，0707带的光线具有最大的剩余球差。即时的带光球差0ML容限为07260MLNU实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。固此时边光球差的容限为1倍焦深。即237M类似与球差，其它像差容限为位置色差20FCMLNU正弦差5S弧矢彗差KY厚透镜中心厚度图1X23X1D2TD3、物镜像差校正考虑到价格问题，我在进行像差校正时透镜半径全部选用了价格最便宜，使用最多的250系列标准半径，并且很好的校正了像差。最终的结果如下输入数据1初始参数物距半视场角入瞳半径0415系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕73011理想面焦距理想面距离00面序号半径厚度玻璃STO6026001500123221008000F43304800054000K34000003350015000002000K960000033500170000014546K9定义了下列玻璃K3150455815100191502222K91516315219551513895F41619916320961615036计算结果1高斯参数有效焦距F后截距L前截距L像距L120184501454584119337431454584入瞳距离LZ出瞳距离LZ近轴像高Y放大率00000010649164840412000000入瞳直径D出瞳直径D拉赫不变量J像方孔径角U300000030212920314670124812像差零视场像差1H085H0707H05H03H0H球差001270069500784005480023100000L弥散园000160007400069000340000900000RF光球差010490008900290003560022000087FC光球差001700025800244001000048300749CL轴向色差008790034700046004560070300836FD光各视场像差相对视场KT10HKT7HKT3HKS10HKS707HKS3H10015400021000020001700001000010850013000018000020001500000000010707100107000140000200013000000000105000750001000001000100000000001030004500006000010000600000000004、物镜像差曲线四、目镜的设计1、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构目镜为放大系统，需反向设计。（）接目镜的相关参数计算根据经验，可知接眼镜的焦距2124FFM由于场镜对像差没有影响，固接眼镜的初级像差满足_0IZSHPJW22IZZJ又_08501联立以上三式,得_04ZHP_26W由设计要求，取，可得81ZLM10ZL_21045ZLF_ZZHLU代入，的方程，可解得ZW092P_5243又满足Q_00167带入数据，得24Q又_0IZCH所以0IC查找光学设计手册，可知玻璃对满足要求。56ZFK由此可得各曲率半径及厚度（计算方法及公式同物镜）15809RM2436R15DM24（2）场镜的相关参数计算由接眼镜成像规律，目镜出瞳与其经接眼镜成的像满足121ZLF由上文知，解得0M2124FFM17ZL场镜与接眼镜距离取18MM，则21352ZLD1ZL1ZLD2ZLFL考虑到接眼镜的厚度以及场镜的主面，应取2ZL4M物镜像平面与场镜平面应满足，取，则FL5F215ZLM由光瞳的衔接知，物镜经过场镜成的像与目镜出瞳经过接眼镜成的像重合，所以22ZLF解得场镜焦距314M又由光焦度与透镜曲率半径的关系45N其中21F563N0解得412RM2、目镜像差容限的计算查询光学设计手册可得相关的像差容限公式如下3030660TK15SINU15SINU15SINUTSX20F240F20F,TS21F21F261FZZY5712FC201F2015F203F表中为目镜焦距目镜实际像差容限考虑到视场边缘有50的渐晕，子午彗差的容限为上表数据的2倍。TK由于渐晕的存在，子午彗差只需考虑相对视场与相对孔径的乘积小于等于05的情况。T实际像差容限如下相对视场03、050707、085、1TK00140014TSX0816,TS0816ZZY57FC0020033、目镜像差校正输入数据1初始参数物距半视场角入瞳半径0227525系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕53100505理想面焦距理想面距离00面序号半径厚度玻璃STO3373001500121306204500ZF5320510015300ZK64162930450015000003405K9定义了下列玻璃K91516315219551513895ZF51739817587141732434ZK61612616199991609499计算结果1高斯参数有效焦距F后截距L前截距L像距L1963229340469680133340469入瞳距离LZ出瞳距离LZ近轴像高Y放大率100000012390078823250000000入瞳直径D出瞳直径D拉赫不变量J像方孔径角U50000030688250314500127342像差D光各视场像差相对视场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、目镜像差曲线五、光瞳衔接与像质评价1、光瞳衔接根据物镜、目镜像差校正后的高斯参数可知物镜像距145LM物镜出瞳距069Z目镜像距23L目镜出瞳距1ZM如上图，为了保证光瞳的衔接，必须满足12120ZLL代入数据，知1212541ZLLM满足光瞳衔接要求。2、像质评价对于物镜，全孔径球差仅为00127满足像差容限00377的要求，0707孔径球差为00784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限00377内，但0707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。总之，物镜成像质量是较为理想的。对于目镜，场曲、像散、子午彗差、倍率色差均在像差容限内，很好的满足了设计要求。目镜成像质量很好。3、总体设计评价由系统图可知，场镜与普罗I型棱镜有一部分因可能重叠而无法满足装配要求，因此要考虑场镜的孔径是否在限度以内。由场镜与普罗I型棱镜第一块棱镜的相对位置可知，场镜的最大半径为（L为棱镜展开后的厚度），由TCOS22085164LM软件计算得场镜的实际半径为94MM，因此满足装配要求。根据设计要求，双筒棱镜望远镜需满足的技术指标有1、望远镜的放大率6倍；2、物镜的相对孔径D/F14（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、LZ810MM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612倍；出瞳直径D49MM；2、物镜的相对孔径D/F02496；3、望远镜的视场角28；4、考虑棱镜的折叠，系统总长只有10525MM，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1455MM，两棱镜间隔为2MM。6、出瞳距离LZ998MM；学习体会刚开始接触光学课程设计时，感觉这是一门很有挑战性的课程，特别是对于我们这些只会使用望远镜而从没想过要怎样设计的人来说，更是觉得自己在几周内设计一个望远镜是不可能的事。随着老师的逐步讲解，我对望远镜的设计有了进一步的了解，特别是对设计的流程有了更深的体会。但是，直至写报告之时，我才发现真正要把设计思路，设计过程，每一个式子，每一个数据是怎样得到的清清楚楚的写下来，还是困难重重的。原因很简单，就是在老师讲解时，我只是有个感性的认识，觉得老师讲的大概是对的，并没有深入地去理解为什么可以这样设计，而到了自己要把它讲清楚时，各种各样的问题就来了。总之，从头走到尾走下来，感觉收获是很大的，虽然过程是辛酸的，但是结果却令自己很欣慰。对于软件的使用，特别是TCOS的使用，我想说一句，没有掌握自动优化功能的使用，就没有掌握TCOS光学设计软件的精髓。我在刚开始时，根据计算得到的半径数据，上机调试，由于认识上的错误，一直以为最终的半径一定是在计算得到的数据的附近的值。并且由于初期不懂得正确使用自动优化功能，因而我一直在计算得到的数据附近手动修改数据，结果得到的像差一直得不到较好的校正，特别是物镜的球差与位置色差的校正，真可用“鱼和熊掌不可兼得”来形容。后来逐渐发现自动优化功能是比较好用的，并且通过自动优化功能，我发现了最终的半径结果与最初的数据有较大的出入，甚至连数量级的都不同。在物镜的调试过程中，的值曾一度达到2000多，当时位置色差全孔径和零孔径分3R别达到005多与009多，是我调过的结果中位置色差最好的，且全孔径球差也满足要求，但由于弧矢彗差达到0028，超出容限，因而最终没有选择该组数据。对于物镜像差的校正，我想总结一下方法，以供学弟学妹们参考（目镜相对简单，在此不再赘述）首先，必须明确有多少个可调参量及有多少个需要校正的参量。物镜有3个曲率半径及3个厚度间隔可调，有3种像差及有效焦距，后截距需要校正。其次，要搞清各个可调参量对需校正的参量有哪些影响，影响多大以及需校正的参数哪些较难校正哪些较易校正，从而确定参数调整的优先级。对于物镜，球差与位置色差较难调整，而子午彗差较易调整；对像差没3D有影响，但对有效焦距与后截距有影响，因此有效焦距与后截距通过调整较易达到要求，但有效焦距不能偏离120MM太远，一般在117123MM内可通过调节3个厚度间隔使之达到要求；对像差的影响最大，其次是，再次是，而几乎对像差没有影响，因此校2R1R1D3R正物镜像差主要从,入手，辅助调节；增大将使球差增大，色差曲线左移，增大21RD2R将使球差减小，色差曲线右移；、的改变将影响色差曲线的宽度与位置，这也是为2什么有的人色差两边的绝对值之和仅有015而有的人却达到019甚至02以上，但需注意、的值不宜与计算值偏离太多，否则其它像差可能较大。综合以上结论，以下给出1D2我个人觉得较为快捷的调节方案首先，将、全设为可调参量，自动1R231D2优化参数选择，进行自动优化，注意由于自变量个数多ML07KSYH07FCL于函数个