光学设计过程和实际系统举例1

3. 选择物镜和目镜 D D D / f1 2
4. 视场光阑直径 DK
DK 2 f1tg
5. 反射棱镜尺寸
屋脊棱镜作转像系统
光轴倾斜角φ＝80°,棱镜斜边AB是角φ的平分线，∠NKB＝40°
tgu sin sin 50 0.766 u 37.5
AC

f2 25.01mm, 2 35 , lF 2 8.88mm, lF 2 8.6mm
精确的出瞳距
lz lF 2 f2 13.046mm
2. 物镜焦距 f1
f1 f2 (6) 25mm 150mm
3. 入瞳直径 D ，选择物镜结构
五、目镜的视度调节
A 1000 / r(屈光度）
A 5(屈光度）

5f
' 2
2
1000
目镜的视度调节——满足近视眼和远视眼
举例 开普勒望远镜外形尺寸计算
开普勒望远镜
物镜＋目镜 中间实像＋负视觉放大率
已知：视觉放大率 Γ，视场角2ω，岀瞳直径 D 、(筒长 L、目镜
焦距 f2 和岀瞳距）三中选一。
取 D4 12.5mm
8. 目镜的视度调节范围
5 f22 5 252 3.125mm
1000 1000
具有棱镜专像系统的望远镜外形尺寸计算
1. 物、目镜焦距
f1
L , 1
f2

1
L1
2. 入瞳直径D 物镜的通光口径
D D D1 D(物镜框为光阑）
棱镜转换成等效空气板后的光路图
D3

D2

2d
tg
n
四、场镜的计算
场镜
为减小转像系统和目镜的通光口径 物镜的像面上放置一块透镜
中间像面上（或附近）的透镜 对系统的总光焦度没有贡献
2

1 l2'

1 l2
l2
l1'
f' 1

l1'

1 1
; l2'

l3

1 3
2 1 (1 lz1 ) 3 (1 lz' 3 )
D D (6) 4 24mm
D f1 24 /150 1/ 6.25, 2 6 , f 150mm
孔径和视场角很小 单组双胶合即可
4. 物镜通光口径
D1 2lz1 tan 2m1 D 24mm
lz1 0
5. 视场光阑的通光口径
计算机辅助设计和像差自动 校正程序（Oslo，tracepro ，ZEMAX，Code等）
像差分析 优化平衡
质量目标
4、长光路的拼接与统算
光组的位置 光组的结构
判据：像差评价
质量目标
光学设计过程总结
系统选型
分配元件光焦度和间隔
优化残余像差(高级)
初级像差校正
典型光学系统外形尺寸计算
外形尺寸计算要求
出瞳距 l’Z 大于 l3mm。计算开普勒望远镜的外形尺寸。
1．选择目镜结构和确定焦距
f 2
出瞳距和视场角都不大，选择凯列尔目镜，
lF 2

lz

xz 2
Hale Waihona Puke xz物镜框作为孔径光阑
xz f1
lF 2 0.35 f2
0.35 f2 lz f1 2 0.35 f2 lz f2 f2 25mm
(1)场镜通光口径
D3

2lztg
2(
f1
lF 2 )
lz
f1 f1
tg
2m1lF 2 f1
(2)接目镜口径
D4 2lztg 2m ' 2m ' D '
(3)目镜视度调节

5f
'2 2
1000
二、计算实例
视觉放大率Γ＝－6 倍，视场角2ω＝6°；出瞳直径 D’＝4mm，
光学系统设计的具体过程和步骤
一、具体过程 1、制定合理的技术参数
成功的前提条件
使用要求：环境条件
技术参数
2、系统的总体设计和布局 光学实现原理方案 理想光学
放大倍率 或焦距 线（角）视场 数值孔径（相对孔径）
外形尺寸 理论公式
共轭距 后工作距
3、光组的设计 选型
光阑位置 外形尺寸
确定初始结构参数 像差校正
D2 2 f1tan 2150 tan（ 3 ） 15.7mm
6. 场镜的通光口径
D3

2lz
tan
( f1 lF 2 ) lz
f1tan
f1
2
m1lF 2 f1
18mm
7. 目镜的通光口径
D4 2lz tan 2KD 213mm tan(17.5 ) 2 0.5 4mm 12.2mm
f
' 2
2
(如a1

10mm)
6. 出瞳距 7. 目镜口径
lz
lF 2

xz 2
光学系统初始结构的计算方法

2a

L sin u
sin( u)

B、
反射棱镜：n， K－棱镜常数
反射棱镜－等效玻璃平板（厚度 d ）－ 等效空气板（厚度 d）
等效玻璃板的轴向位移： l
d d n
l

1
1 n

d
tg n
2K
d KD2
D2

D3 sin cos sin( )
计算步骤如下
1. 物、目镜焦距
(a) 已知筒长L
L f1 f2,
f1 f2
f1
L , 1
f2

1
L1
(b) 已知 f2
f1 f2
(c) 已知岀瞳距 lz
目镜的视场角
f2 f1
目镜工作距 lF 2
tg tg
lF 2 lz xz
K

h1' h1'

h h

h1 h1
三、棱镜转象系统
A、 平面反射镜：平行光入射
2a D
2 sin
2b D
平面反射镜：汇聚或发散光入射
2a a1 a2
a1

L sin u
sin( u)
a2

L sin u
sin( u)
2b
2aLtgu
L sin u
sin( u)
3. 物镜、视场光阑和目镜的通光口径 a) 物镜的通光口径 D1 2lztg 2m1 2m1 KD
K 是轴外光束的渐晕系数，取0.5～1.0，孔径角和视场角小K=1
b) 视场光阑的通光口径
一般放在物镜的象平面上，（如分划板）
D2 2 f1tg
c) 目镜的通光口径 一般由场镜和接目镜组成
xz

xz

1 2

xz
入瞳中心P和出瞳中心P’， F1和F2‘ 是两对共轭点，线段xz和xz’ 是一对共轭线段。
光瞳象差，产生 xz’ 会减小 △xz’ （视场角比较大时，可达到 2-3mm）
lF 2

lz

xz 2
xz
2. 入瞳直径D 选择物镜结构
D D D / f1 2
1. 孔径，视场，分辨率，出瞳直径和位置 2. 几何尺寸，光学系统的轴向和径向尺寸，整体布局
3. 成像质量，孔径和视场的权重
一、光路计算公式 光学系统—>薄透镜组—>高斯公式
tgU
' k
tgUk

hk fk'
转面公式
二、任意光束截面的渐晕系数
当作常量 k
hk

hk 1

d
k
1

tgU
' k
1
a)、选型
设计的出发点
光组为单位 （一对物像共轭面之间所有的光学零件）
目镜 物镜
望远系统
孔径
显微系统
视场
照相摄影系统
焦距
b)、初始结构计算和选择
A、解析法
外形尺寸 初级像差理论
曲率半径、厚度、间隔、 玻璃折射率和色散
B、缩放法
查手册
整体缩放系数 K
性能相近的结构
所求结构
c)、像差校正、平衡、像质评价
AO OC

D 2 sin u

D 2

D 2
1
1 sin u

AB 2 AK 2OA
D
sin(90 ) sin u sin 40
d

OK

KO1

2OK

2 AO tg 40

D sin utg 40
棱镜的输出面尽量靠近物镜的象平面，取
a1

0.01