手持式观光望远镜光学系统的设计与研究

1、武汉工程大学课程设计（学年论文）说明书课题名称： 手持式观光望远镜光学系统的设计与研究 专业班级： 08级应用光电子01 学生学号： 0809040112 学生姓名： 梁元庆 学生成绩： 指导教师： 梁春雷 课题工作时间： 2011-12-20 至 2011-12-31 武汉工程大学教务处一、课程设计的任务或学年论文的基本要求1、 查阅相关资料，了解望远镜镜头光学系统设计的发展现状、趋势。2、 学习使用zemax光学设计软件；学习使用zemax分析像差并设置优化函数；设计望远镜光学系统，并做简单的分析和总结；撰写课程设计论文。3、 本课题要求设计出用于观光用的大倍率大口径双筒望远镜，并要求在3

2、公里以内观察到人和物。设计出的观光望远镜达到的技术指标为：放大倍率10×，物镜焦距100mm，物镜视场角4°，整个系统二级光谱值达到要求值。4、 具备采用外语顺畅表达中文的能力。5、 课题设计（论文）难度适中，工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。6、 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有一定的参考价值。7、 工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。二、进度安排1、 了解课题的背景和意义及其发展趋势。2、 学习像差理论和分析

3、典型的望远镜光学系统结构，提出自己的设计思路。3、 选择合适的物镜初始结构，用zemax软件进行像差分析，优化结构参数，并最终得到比较好的设计参数。4、 在机房检查资料，修正补充。5、 答辩。三、参考资料或参考文献1、 光学系统设计机械工业出版社，（美）莱金著，周海宪，程云芳译，2009.102、 现代光学设计方法，北京理工大学出版社，李林，2009.93、 工程光学，机械工业出版社，郁道银，谈恒英，2006.24、 应用光学（第3版），电子工业出版社，张以谟，2010.75、 几何光学像差光学设计，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.116、 实用光学技术手册，机械工业出版社，王之江，

4、2007.1四、课程设计（学年论文）摘要（中文）摘要：本文应用几何光学的基本原理与像差理论，设计了一个开普勒结构的观光望远镜。文中应用zemax软件对系统做了像差优化设计，并得到了不错的效果。关键词：开普勒望远镜；zemax；像差优化五、课程设计（学年论文）摘要（英文）abstract:akelper telescope system within 10 times ratio enlargement is designed in this paper.in the design process,zemaxsofyware have been used to simulate the tele

5、scope optical lens system.this brings great convenience to calculate and judge .key words: kelper telescope; zemax sofyware;optimize aberration;六、指导教师评分评价内容具体要求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解

6、决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：年月七、答辩记录记录人（签字）：年月日答辩意见及答辩成绩答

7、辩小组教师（签字）：年月日课程设计（学年论文）总评成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）目录1.引言课题研究情况72.zemax的软件介绍73.系统的设计83.1.折射式望远镜的工作原理83.2.系统的性能要求83.3.系统的外形尺寸设计84.转像系统选型115.光学系统设计与优化115.1.传统方法115.2.双胶合物镜设计125.3.对称式目镜设计155.4.全系统设计196.致谢197.参考资料或参考文献191. 引言课题研究情况最近几年，我国的望远镜发展与生产，以其前所未有的速度迅猛发展，如何使望远镜技术有新的发展，已成为有关部门关注的焦点。特别是近年来，

8、电子技术、计算机技术与光学技术结合得越来越紧密，使望远镜技术的发展出现了新趋势。在使用功能方面也更加多元化，例如：稳像功能，方位指示功能，精密测距功能，自动调焦功能等，且在环境适应能力方面也大大提高。望远镜存在调节方面的问题，大多数的远镜都从三个方面实现调节。一是视度调节，二是瞳距调节，三是焦距调节。为了适应近视眼和远视望眼的需要，视度是可以调节的。所以工作距离要大于视度调节深度，视度调节的范围一般在5d（即5屈光度）。调节时，目镜相对于视场光阑（分划板）的移动距离为：。其中，为目镜的焦距。对于瞳距调节，人眼的瞳距各不相同，当使用双目望远镜观察景物时，如果感觉左右眼两个视场不重合，景物就没有立

9、体视觉，说明望远镜的瞳距和你的瞳距不吻合，需要调节。在本设计中，将两块转像棱镜使用一个齿轮啮合，通过转动齿轮即可调节。折射望远镜常用的调焦方式有外调焦和内调焦两种，让物镜沿光轴方向相对于目镜运动，称为外调焦。外调焦的优点是操作简单，像质较好，但是仪器的外形尺寸较大，密封性也较差。内调焦是通过移动物镜组中的一块或一组透镜来得到清晰的物象。它的优点是结构尺寸小，携带方便，而且物镜的焦平面对任何距离处的景物都是不变的，这一点对于安装分划板十分简便，所以大的测量仪器一般采用内调焦。它的另一优点是仪器有较好的密封性，这有利于保持仪器内部的清洁。目前大部分双筒镜采用的是外调焦，少数高级品采用内调焦。目前，

10、很多双筒望远镜都采用一种“中央调焦”模式，即通过调节中央的旋钮使两边的透镜同时对焦。右边的目镜还可以做单独的调节，这时为了适应使用者左右眼的差别而做的校正。2. zemax的软件介绍zemax是美国focus software inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算seqential及non-seqential的软件。zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具

11、有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。zemax光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。zemax功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。zemax能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。zema目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照

12、明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。3. 系统的设计3.1. 折射式望远镜的工作原理是用透镜作物镜的望远镜。分为两种类型：由凹透镜作目镜的称伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。因单透镜物镜色差和球差都相当严重，现代的折射望远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜。其中以双透镜物镜应用最普遍。它由相距很近的一块冕牌玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，对两个特定的波长完全消除位置色差，对其余波长的位置色差也可相应减弱在满足一定设计条件时，还可消去球差和彗差。由于剩余色差和其他像差的影响，双透镜物镜的相对口径较小，一般为1/15-1/20，很少大于1/7，可用视场

13、也不大。口径小于8厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称双胶合物镜，留有一定间隙未胶合的称双分离物镜。为了增大相对口径和视场，可采用多透镜物镜组。对于开普勒望远镜来说，需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像。一般的折射望远镜都是采用开普勒结构。由于折射望远镜的成像质量比反射望远镜好，视场大，使用方便，易于维护，中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统，但大型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，因为冶炼大口径的优质透镜非常困难，且存在玻璃对光线的吸收问题，所以大口径望远镜都采用反射式。3.2. 系统的性能要求本课题要求设计出用于观光用的大倍率大口径双筒望远镜，并

14、要求在3公里以内观察到人和物。设计出的观光望远镜达到的技术指标为：放大倍率，物镜焦距，物镜视场角，整个系统二级光谱值达到要求值。3.3. 系统的外形尺寸设计3.3.1. 望远镜的原理图图1开普勒望远镜的光路图3.3.2. 望远镜的物镜参数望远系统的视觉放大率为望远镜物镜的光学特性主要有三个：物镜焦距、相对孔径和视场。1) 物镜焦距2) 物镜视场角3) 取物镜口径（入瞳大小）物镜相对孔径不同焦距时，双胶物镜可得到满意的成像质量的相对孔径，如表1所示：表1焦距（）相对孔径由于双胶物镜不能校正像散和场曲，所以视场角一般不你呢个超过。如果物镜后面有很多长光路的棱镜，由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，

15、可以抵消一部分物镜的像散，视场可达到。一般双胶物镜的最大孔径不能超过，这是因为当透镜直径过大时，由于透镜的重量过大，胶合不牢固。同时，温度改变时，胶合面上可能产生应力，使成像质量变坏，严重时可能脱胶。3.3.3. 望远镜的目镜参数望远镜目镜的作用相当于放大镜，它把物镜所成的想放大后成像在人眼的远点，一边进行观察。目镜的光学特性主要有三个：像方视场角、相对出瞳距离和工作距离。目镜焦距1） 望远镜的像方视场角2） 出瞳距相对出瞳距离3） 工作距离，目镜第一个面顶点到物方焦平面的距离称为目镜的工作距离。（为目镜的轴向移动量）为了保证在调负视度时目镜的第一面不致与装在物镜像平面上的划分版想碰，要求物镜

16、的工作距离大于目镜调视度所需要的最大轴向移动量。传统目镜介绍，如表2所示：表2目镜名称像方视场角相对出瞳距离特点惠更斯目镜常应用于天文望远镜中；不存在实像面，不能安装分划板。冉斯登目镜主要用于大地测量仪器的望远镜目镜，一般用作测量和读数。凯涅尔目镜有一个单透镜和一个胶合透镜构成。对称目镜像质优于凯涅尔目镜，结构对称，加工方便，相对出瞳距离大适用于军用观察和瞄准仪器中。无畸变目镜并非完全校正了畸变，只是畸变略小些，适用于测量仪器中。在望远镜系统的外形尺寸设计时，往往首先根据对目镜的视场角和出瞳距离的要求选定目镜的型式。对于本题，我们选择对称式目镜。3.3.4. 望远镜其他相关参数1） 望远镜的总

17、长度2） 出瞳大小3） 分划板尺寸（视场光阑大小）4） 目镜尺寸4. 转像系统选型这种望远镜成像是上下左右颠倒的，但视场可以设计的较大，为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜引在光路中增加了转像稜镜系统。本次采用别汉屋脊棱镜作为转像棱镜。5. 光学系统设计与优化5.1. 传统方法差理论求解满足成像质量的初始结构法 双胶合物镜（小视场，校正色差，球差，近轴慧差）-胶合面：有足够大的正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级球差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。如果后面有厚度的平行平板，还需保留相当的负色差和球差补偿平板产生的正的像差

18、采用方法来求解光学系统的初始结构，缺点在于用手工计算，容易出错，计算量繁重且缺乏效率。但同时又积累了数量可观的优秀的镜头数据，我们可以从这些优秀的镜头中找到需要的初始然后进行缩放、优化而得到符合我们要求的镜头。5.2. 双胶合物镜设计对本文物镜双胶合透镜的设计中，先从光学设计手册中一个初始结构，再采用zemax进行系统的优化处理。物镜的初始结构如下表：表3玻璃材料45.714.1-39.631.6-186.21，上述系统的焦距（）和设计要求（）相差较多，首先把结构参数缩放成，并对厚度规整和入瞳直径修正后得到如下结构参数：表4玻璃材料57.20855.1-49.59902-233.0517，由于

19、望远物镜的相对孔径和视场都不大，使用的结构较为简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正轴向边缘球差，轴向色差和边缘孔径的正弦差。除此之外，焦距也必须满足要求。对于以上的像差，可以在zemax中建立操作数来优化，effl用来控制焦距，axcl用来控制轴向色差，对正弦差和球差zemax没有直接的操作符来控制，可以通过自建操作符来控制。正弦差由以下公式给出：由垂轴的几何像差tray (，)，可以由pimh直接给出。在zemax中控制方法如下：对于球差，可以由以下公式给出：为垂轴的几何像差，因此在zemax中可以建立如下操作符来控制：以上控制的是边缘带球差，要控制0.707带球差只需将以上的孔径改为

20、0.707即可。下面给出双胶合物镜的像质评价。如图3：图3.1 优化后的物镜球差曲线图3.2 优化后的物镜mtf曲线图3.3 优化后的物镜点列图优化后的各像差的结果：表5参数目标值优化后结果100100.02270-0.003600.030200.01470-0.0127经过优化后的结构参数为：表6玻璃材料68.37395.1-44.97822-141.86215.3. 对称式目镜设计在设计目镜时，通常按反向光路计算像差，即假定物平面位于无穷远，目镜对无穷远目标成像，在目镜的焦面上衡量系统的像差。而对于光瞳的位置，可以把实际系统的出瞳，作为反向光路时目镜的入瞳，给出入瞳距离，入瞳直径等于系统要

21、求的出瞳直径。在光学镜头手册中选取的目镜结构参数如下：表7玻璃材料179.892.2528.939.00-28.931.3528.939.00-28.932.25-178.89，。本次设计的是对称式目镜，在zemax中的输入方式也与一般系统存在差别。由于是对称式系统，因此曲面半径应该是对称的，在zemax后面三个半径采用pick up定义，scale factor为-1，在zemax中输入初始结构如下图所示：由于目镜的视场比较大，出瞳又远离透镜组，轴外光束在透镜组上的投射高较大，在透镜表示面上的入射角很大，因此轴外的斜光束像差如慧差、像散、场曲、畸变、垂轴色差都很大，同时焦距比较短，相对孔径较小，因此目镜的球差和轴向色差一般都不大，校正目镜的像差主要以轴外像差为主，尤其以慧差、像散、垂轴色差最为重要。按以上窗口输入参数得到目镜系统结构图如下：图4.1目镜系统结构图对目镜可以从点列图分析基本像差，然后再校正。初始结构的点列图如下所示：图4.2初始结构的点列图从上图可以分析出点列图的弥散圆半径比较大，并且有较长的慧尾，说明此系统有较大的慧差，因该校正。zemax提供有操作符coma控制慧差，操作符lacl控制垂轴色差，操作符asti控制像散，这些像差的参数值可以在merit funtion中观察到。下面给出目镜优化后的像质评价。图5.1光扇曲线图图5.