双筒棱镜望远镜设计

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《应用光学》课程设计报告

报告题目：双筒棱镜望远镜设计学生姓名：学号：专业班级：授课老师：

二O一四年十一月

双筒棱镜望远镜设计

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Γ＝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2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；5、棱镜最终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

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

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一、外形尺寸计算已知望远镜参数：

Γ＝6，入瞳直径D?30mm，相对孔径

D?1:4，2ω＝8°，L=110mm；f'视场边缘允许50%的渐晕；

棱镜最终一面到分划板的距离>＝14mm1、求f1'，f2'

物镜焦距f1'?4?D?120mm

f1'120?20mm目镜焦距f???6'2

2、求D'出瞳直径D'?D?5mm?

3、求视场直径

?D视=2?f1'?tan4=16.7824mm4、求目镜视场2?

tan?'=?tan??2?'?45.5?

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：

3

目镜口径D目无渐晕时候，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：

h?7.5120?a?

8.3912?7.5120，现在有25%的渐

其中a为其次块平板的后表面到分划板的距离，根据要求，可取

a?14mm。

解得：h?8.287mm由此可得：

等效平板厚度D?2h?16.574mm

所以棱镜展开的实际厚度：L?KD?33.148mm

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考虑到棱镜的装配，取L?33.5mm因此，等效空气平板厚度d?L33.5??22.1mmn1.5163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需满足：

_

其中c为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。

实际物镜到第一个棱镜前表面的距离：

c?120?a?b?2d?59.8mm

其中b为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取b?2mm由c?c知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。

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：D/f'?1:4，2??8，f'?120mm

目镜：f'?20mm2?'?45.5，D?5mm，lz'?8~10mm

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，可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。

_5

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：

双胶合望远物镜，结构简单，制造和装配便利，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f'/mm501001:51501:42001:53001:65001:810001:10'相对孔径D/f1:3

望远物镜通用的相对孔径6

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2??40~50，相对镜目距p'/f'?1/2。

双胶合物镜的光学结构凯涅尔目镜的光学结构

三、物镜初始结构参数的计算1.求h，hz，J

D?h??15mm?2??由设计条件，有?hz?0?孔径光阑在物镜框上?

?J?n'u'y'?1.4089??(u'?hf'?0.125,y'?fo'tg??8.3912mm,n'?1)o?

2.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=?4?=-0.0698，d?2?33.5?67,n?1.5163,??64.1

?n2?14u??0.006096??SIP??d3n?uZ??S?S()?0.003404??PIPu??d(n?1)22u??0.003667??CIP??2?n?

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3.求物镜像差

双胶合物镜像差应当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）

SI??SIP?0.006096；

SII??SIIP??0.003404；

CI??CIP?0.003667（1）根据C?求C，并规划成C

C?0.003667?120?0.001956C?2?2h?(15)（2）根据S?,S??求P、W

S?0.006096S??hP?P???0.0004064h15S??0.003404S???hzP?Jw?w?????0.0032453J1.0489（3）将P、W规化成P、W

P0.0004064P???0.2080833(h?)(0.125)W0.0032453W???0.207722（h?）(0.125)（4）物本身位于无穷远，则P?P?0.20808,W（5）求P0

取冕牌在前，则

???W?0.2077

P0?P?0.85(W?0.1)2?0.19822??

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（6）选玻璃

根据C?0.001956与P0查阅《光学仪器设计手册》，选取K9-F5玻璃对。初始数据为：

___

（7）求形状系数Ｑ

（8）求归一化条件下透镜各面