十五倍观察镜光学设计最终

1、光学总体设计Optical general design题目名称：15倍观察镜学校：#学院：光电工程学院专业：#学号：#姓 名：#2013.12.21目录一、设计背景1二、设计要求2三、系统的原理及应用 2四、目镜的选择与计算 24.1 目镜 2-27 24.2目镜的反转和计算 34.3追迹光线44.4计算出瞳距44.5目镜口径计算 3五、物镜选择65.1根据目镜焦距求取物镜焦距 65.2物镜视场角65.3物镜通光口径75.4相对孔径75.5物镜结构75.6物镜设计7六、分划板的确定 8七、棱镜计算87.1棱镜结构87.2棱镜展开9八、设计结果10九、设计心得11十、附录1215倍观察镜设计、

2、设计背景在现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的 大口径光电系统的应用越来越广泛。比如：天文望远镜、空间望远镜；地基空间 目标探测与识别；激光大气传输，惯性约束聚变装置等等。设计要求：全视场：2 3 _ 4出瞳直径：D'_4mm镜目距：p>8mm鉴别率：a_5"渐晕系数：K =0.8棱镜和分划板上表面的距离：a_ 15mm棱镜和材料：D1J-600屋脊棱镜 材料：k10物镜：2-27目镜:K9 ZF7、系统的原理及应用棱镜在光学设计中是必不可少的，要想通过观察镜看到清晰地像，需要通过 借助一些能改变光路传播的棱镜系统，其中反射棱镜种类繁多。包

3、括有：普通棱镜，屋脊棱镜，立方角锥棱镜，复合棱镜。在这里用棱镜而不用反射镜的原因是， 反射镜不仅会对光束有吸收作用且它的反射面没有棱镜的反射面光滑，这回事反射效果降低，导致成像不清晰。屋脊棱镜(Roof Prism)就是把普通棱镜一个反射面用两个互相垂直的反射 面来代替的棱镜，互相垂直的两反射面的交线应平行于原反射面且在主截面内， 它犹如在反射面上覆盖一个屋脊， 故称为屋脊棱镜，这两个相互垂直的反射面即 为屋脊面。屋脊面的作用就是在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下， 增加一次反射，是系统总的反射次数由奇数次变成偶数次从而达到五项相似的目 的。屋脊棱镜的实际作用可以达到实现倒像的目的，

4、所谓倒像就是使像相对于物 转过180度。屋脊棱镜除了能保持与原有棱镜相同的光轴走向外，还能使垂直于主界面的坐标轴发生倒转，简单棱镜的单独使用通常不能实现倒像的功能，但是若用屋脊面代替其中的一个反射面，则在不断增加其他棱镜的基础上就能够扩展 简单棱镜的功能，实现倒像的功能。屋脊棱镜体积较小而且可以使物镜和目镜位于一条直线上，因此常用于极紧凑的双筒镜。与普罗棱镜相比，屋脊棱镜有两个主要的缺点，一是光线的损失多， 成像较暗；二是对装配精度要求高，难于制造，价格也较贵，制造精良的屋脊棱 镜在性能方面可以赶上但不会超过普罗棱镜屋脊棱镜关键在于存在屋脊面，所谓屋脊面就是光路里面会遇到一个屋脊形的由两个反射

5、面夹起来的反射面，两个面的棱在光路正中，所以有的屋脊棱镜可以看到中间有条分界线，其实也可以理解为把光束分成两半再拼合起来。把两个镜子组成一个直角就形成了一个屋脊面， 自己试试，看是不是和普通镜子的左右互换了？ 一个最常用的别汉棱镜原理要反 射6次。相应的、还有一种现代蔡司望远镜常用的 abbe棱镜，也是一种屋脊棱 镜，长度稍大，但是只要4次反射，而且不需要镀反光层，所以效率比别汉棱镜 高而和普通的保罗棱镜差不多。四、目镜的选择与计算4.1根据光学设计手册p295目镜结构2-27图一目镜结构目镜参数（f'=28.092=680 S' f =18.66 d=8)表一目镜2-27参数

6、rdn。v-60.122.51.647526.540.4610.51.572433.9-26.060.334.3007.51.516339.6-42.070.340.754.7042.832.294.01.647541.4117.4913.01.516341.04.2目镜的反转和计算表二倒置目镜参数rdn。-117.4913.01.5163-32.294.01.6475-54.700.342.07Oo7.51.516326.060.3-40.4610.51.572460.122.51.64754.3追迹光线 根据光线追迹的原理，由Matalb程序求解错误!未找到引用源Matlab计算结果：n1

7、uii'u'l'1OO0-0.0851-0.05613-0.0289-345.051812-358.05-0.0289-0.2923-0.2691-0.0522-198.54188713-202.54-0.0522-0.1412-0.232730.03920270.041176184269.7410.039200.212140.139900.1114394.8894814963587.38940.11143-0.11144-0.168970.1689757.6333364657.33330.168970.202770.242780.2427839.90194255972

8、9.40190.24278-0.4192-0.223670.2236731.9139951553829.41390.22367-0.1142-0.297640.2976422.1039354777可以求得错误!未找到引用源。（目镜后表面到像方焦点的距离）Sf'=22.103969mm4.4出瞳到目镜的距离由于一般情况下望远系统的孔径光阑是物镜的边框，则根据出瞳定义：孔径光阑经后面光学系统的在像空间所成像是出瞳，如上图所示。根据牛顿公式XX'二 ff 'f'i(p' sf)= f2 ? (p' Sf)=? p' = Sf+brrp'

9、= 22 .104 + 28 . 09 / 15 = 23 .977 mm p'> 8 mm4.5目镜口径计算由设计要求知k=0.8,对应的光路图如下所示观察镜结构图：图n竞分戈MS)Ll板目績 出瞳n吧丄J1f=-<101*H为目镜第一个面的像A点为边缘光线经过物镜的出射光线与光轴的交点, 高，U为A点发出光线的孔径角。渐晕系数 k=0.8.根据以上条件，进行光线追迹，由 Matlab计算可得nluiI'l'u'h-217.59-0.07760.221440.134410.009381799.64174218216.89491786.640.009

10、380.510050.84031-0.3208-52.27216.772822868756-56.272-0.32080.650970.41399-215.2118.056335719-0.083915-215.51-0.5438158.48518.081541-0.0839-0.345990.1140912150.985-0.1140-0.07520.07524228.93817.2258510.1140994285228.6380.07524-0.7353-0.67680.016671031.4117.2032682829381020.910.016670.404180.43915-0.0

11、182-930.8417.028173947914-933.34-0.0182-0.40280.11888143.61117.0738819-0.26579958表4光线追迹结果根据不同面上的高度，选择最大的高度作为目镜的口径，得到Df = 21 = 361630五、物镜选择5.1根据目镜焦距求取物镜焦距r= fi'/ f2？ fi'= rg'f1'=15*28.09=421.35mm5.2物镜视场角2 3 = 4：5.3物镜通光口径r=D/D'? d = D'xrD=4x15=60mm5.4相对孔径r=D/D'? D =D'xr

12、D=4*15=60mmD/f=60/421.35=0.142399 5.5物镜结构根据题目所给出的视场大小及相对孔径的大小选择物镜所需的结构。本次系统设计中由于所设计的系统的视场不大，相对孔径也不大，故可选用双胶合物镜。图3物镜结构5.6物镜设计- J 爲1选择物镜 K9 ( n =1.51630，=64.1)和 ZF7( n =1.80600,v =35.9,) 计算结果：打=0.039310093 = -0.001557685设正透镜的厚度d=6mm和负透镜的厚度d=3mm.设 ri= -r2：1且土ria得口 - -r2 =262.6813mm2 二T 3得a =-174.231mm.六

13、. 分划板的确定分划板尺寸。分=2tg «Xf '1 = 2tg 4 ° 421.35 = 29.428mm七、棱镜计算图4屋脊棱镜D1J-6O07.1棱镜结构由光学仪器设计手册知FBJ-60。屋脊棱镜的机构如下图 表4棱镜结构参数a=2D b=D c=D D=2.792D T=0.457D H=2.646D R=1.094D L=2.646D7.2棱镜的展开D1J-600，展开长度：L = 2 .646 D+2Cff+ Uncr得出错误!未找到引用源。D1 = 34.9238 mmD2=34.7190 mmL=92.4084mm再由公式得t 二 f'-a

14、- d = 345 .47893 mmK=1是渐晕系数,D是物镜直径，错误!未找到引用源。是等效空气层， 错误!未找到引用源。是K9的折射率,Di和D2是棱镜直径,t是物镜到棱镜第一个平面的距离式中，为棱镜所用材料对 D光的折射率；为棱镜所用材料对空气的等效空气层厚 度；b是物镜到棱镜前表面的距离；是一个过渡参量。通过上式可以求出棱镜的 通光口径，是棱镜前后的通光口径，但是由于棱镜本身也存在一个安装棱镜本身 存在一个安装固定的问题，故而所取值适当加大以满足设计要求， 可取增量值为 2。八、设计结果目镜：f'=28.09mm2 w =68 -镜目距=23.977mm物镜：f' =

15、421.35mm2 w = 4 '分划板：D=29.4277mm棱镜：D仁34.9238mmD2=34.7190mmL=92.4084mm棱镜到物镜的距离：t=345.47893 mm棱镜到分划板距离：a=15mm15倍观察镜设计概略图光学设计课程设计心得：通过一周的光学课程设计，我对一些专业知识和光学设计有了更深的了解，于此同时也尝试着去应用自己的所掌握的知识，我也深深感觉到了找老师解决疑难以及和同学讨论的重要性。和同学之间的讨论，对一些问题的认识更加深 刻，在这个过程中，随着一个个新的问题的提出，也使自己做的东西更加完善！ 同时，当给别人解决一些问题的时候也相当有成就感。一周的光学

16、设计我们学会了运用应用光学知识，了解观察镜工作原理的基 础上，完成观察镜的物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。学会了手 动目镜追光，以及 matlab 程序追光，在最后的整体结构图绘制上我们更是运用 到了 cad 软件。整个光学设计过程是辛苦的，但确实收获良多。最让人感到意外的是答辩环节，通过答辩的环节我们进一步挖掘了观察镜 设计过程中存在的问题，我们更是学到了很多课堂上没能学到的东西，我只能 说我已经喜欢上应用光学了，哈哈。附录( 1)光线追迹 matlab 程序l=100000000000; u=0;y=10;r=-117.49,-32.29,-54.70 ,42.07 ,0 ,26

17、.06 ,-40.46,60.12; d=13.0,4.0 ,0.3 ,7.5 ,0.3 ,10.5,2.5;n=1.5163,1.6475,1,1,1.5163,1,1.57240,1.6475,; len=length(r);for j=1:lenfprintf('%d surface :n',j);if l>=10000000000 u=0;if r(j)=0 continue ;else i=y/r(j); i2=i*n(j)/n(j+1); u2=i+u-i2; l2=i2*r(j)/u2+r(j);endelseif r(j)=0 i=-u; i2=i*n(j

18、)/n(j+1); u2=-i2; l2=l*u/u2;else i=u*(l-r(j)/r(j); i2=i*n(j)/n(j+1); u2=i+u-i2; l2=i2*r(j)/u2+r(j);endend,l,u,i,i2,u2,l2);fprintf( 'l=%f,u=%f,i=%f,i2=%f,u2=%f,l2=%fn' abcd(j,:)= l,u,i,i2,u2,l2;if length(d)>=j l=l2-d(j);elsel=l2;'finished:Lf=%f',l);fprintf( end u=u2;end( 2) .物镜参数计算 matlab 程序v1=64.1;v2=25.4; f=421.35; n1=1.51630; n2=1.80600;A=1/f; a1=A*(