内调焦望远物镜的设计

电气工程学院课程设计说明书
设计题目：内调焦望远物镜的设计
系别：工业自动化仪表
年级专业： xx级仪表x班
学号： xxxxxxxxxxx
学生姓名： xxxxx
指导教师：童凯朱丹丹
教师职称：副教授讲师
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：光学仪器基础课程设计
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院教务科
目录
第一章摘要 (4)
第二章设计原理 (4)
2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算 (4)
2.2双胶合物镜 (5)
第三章初始结构参数的计算 (6)
3.1 结构类型的选择 (6)
3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解 (6)
3.3 后镜组的初始参数求解 (8)
第四章使用ZEMAX软件优化 (10)
第五章总结 (13)
参考文献 (14)
第一章 摘要
本文中介绍了一种内调焦望远物镜的设计。

根据要求的数据求出设计的初始结构参数，焦距mm f 215'=，前镜组相对孔径是1：4.1，后镜组相对孔径为1：3.3.并用ZEMAX 软件仿真，校正球差、慧差和轴向色差。

但是由于误差的绝对存在，使的不可能达到非常理想的地步，只能是误差在允许的范围内。

第二章 设计原理
2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算
所谓内调焦望远物镜，是指物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物镜，利用负镜组对远近不同的物体进行调焦能使想始终位于一个固定的位置上，故把这个起内调焦作用的负镜组称为调焦镜。

由于调焦镜在镜筒内部，调焦时不改变筒长，所以称为内调焦望远镜，与外调焦望远镜相比，它具有筒长短、封密性好的优点，因此广泛用于大地测量仪器中。

负镜组可将主面提前，使筒长显著减小。

其缩小比为 '
f L m =
()
1-1
焦距等效距离。

是筒长；式中，'f L 在望远镜做测距用时，测距方程为
s c Kl s += ()2-1 式中，s 是被测距离；l 是读轮的读数，一般去K=100；s c 是常数。

用望远镜测距时，用满足准距条件
时， 021
1='+'
+-f f d L δδ 0=s c
().20~152
mm L
+=
δδ一般取是前组到转轴的距离，式中，。

在大地测量仪器中，望远镜的主要作用是观察瞄准目标和测距。

由于测量仪器是在野外使用，所以要求仪器的体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高、质量好。

为求出三个未知量 d f f 和21,''，需解下述三个方程组
211112
1
21='+'
+-=⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛'-'+'
=+'+''
'f f d L L f d f d f d
f f f f δδ ()3-1
式中：L 为自物镜前组像方主平面到物镜系统像面的距离；d 为自物镜前组像放主平面到调焦镜前主平面的距离；'f 为物镜系统焦距；'1f 为物镜前组焦距，'2f 为调焦镜焦距。

2.2双胶合物镜
望远镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差和慧差。

由薄透镜系统的初级像差理论知道，一个薄透镜组除了校正色差而外，还能校正两种单色像差，正好符合望远镜校正像差的需要，因此望远镜物镜一般由薄透镜组构成。

由于双胶合物镜无法校正像散、场曲。

因此它的可用试场受到限制，一般不超过︒10，如果物镜后面有较长的棱镜，则由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，因而可以抵消一部分物镜的像散，试场可达。

双胶合物镜无法控制孔径高级球差，因此它的可用相对孔径也受到限制。

不同焦距时，双胶合物镜可能得到满意成像质量的相对孔径如表1所示
一般双胶合物镜的最大口径不能超过mm 100，这是因为当直径过大时，会使透镜的重量过大而胶合不牢固，同时当温度改变时，胶合面上容易产生应力，是成像质量变坏，严重时可能脱胶。

所以，对于直径过大的双胶合物镜组，往往不进行胶合，而是中间用很薄的空气层隔开，空气层两边的曲率半径仍然相等。

这种物镜从像差性质来说实际上和双胶合物镜完全相同。

第三章 初始结构参数的计算
3.1 结构类型的选择
由给出的技术参数为：
焦距 mm f 215='
通光口径 mm D 351= 视场 ︒=5.12ω
用内调焦望远镜物镜的公式()3-1计算物镜外形尺寸，有上述公式可得。

前组焦距： mm f 1451='
后组焦距： mm f 532-='
两组之间的间隔：mm d 78=
对应的组合焦距和系统长度为：
mm f 215=' 150mm L =
透镜组的结构形式，是由它的光学特性确定的，我们首选看看前组， （1）前组透镜的光束口径就等于系统要求的通光口径，因此它的相对孔径为：
1
.41
14535'11=
=f D 相对孔径接近1/4，因此可以采用简单的双胶合物镜
（2）调焦组的通光口径2D 。

调焦组的通光口径可用光路计算的方法确定，应该按轴外上光线计算其口径:
16145
78
14535'111
2=-=-'=f d f D D 调焦组的相对孔径为：
3.31
5316'22=
=f D 可以看出 满足设计要求。

由于物镜要求的视场角很小（︒=5.12ω），所以用不着考虑校正轴外相差，只需要校正球差、慧差和轴向色差，因此前后两组可以各自独立的进行校正，这样系统的装配误差对成像质量影响较小，后面我们可以采用前后组独立校正像差的方案进行设计。

3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解
这个物镜的视场教很小，所以轴外像差不大。

主要校正的像差为球差、正弦差和位置色差，可用双胶合透镜。

根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有
02120=''-
='∑I
S
u n L k
k δ 021
0='
'-='∑I I
S
u
n K k
k
s
0120=''-
='∆∑I
C
u n l k
k FC
亦即
00
2
2
34=Φ==P Φ=∞
I I
∞
I ∑∑
W
Jh S h S
02
2
1
12
=⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+=∑I
v
v h C ϕ
ϕ 由此可得基本像差参量为
0,00===P ∞
∞
C W ，
()4-1 再求0P 。

由公式
⎪⎩⎪⎨⎧+-P +-P =P ∞∞∞∞2
2
0)
2.0(85.0)1.0(85.0W W ()5-1 我们选择用冕牌玻璃进行计算。

取1.00-=W ，带入()5-1，可得
()0085.01.0085.0020-=+-=P
根据0P 和I C 从附录1查玻璃组合。

由于K9玻璃性能好而且熔炼成本低，因此应优先选用。

可选它和ZF2玻璃组合，当C =0时，由附录1差得0P =0.038。

从附录2差得K9（1n =1.5163）和ZF2（2n =1.6725）组合的双胶合薄透镜组的各系数为
0P =0.038319， 0Q =-4.284074， 0W =-0.06099 1ϕ=2.009404， 并取A =2.44, K =1.72 根据公式：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧
K -+A P -P ±
=∞∞00
00W W Q Q Q ()6-1 可得 0Q Q ==-4.284074, 0W W =∞
=-0.06099。

从而求得各面的曲率
7737
.01
1
1
2748.26173.11
5163.10094
.25163.14284.0122123121111-=---+=-=+==-⨯+-=-+
=n n n Q Q n n Q ϕρϕρϕρ
再由公式求出球面半径好像差计算
mm
f r mm f r mm
f r 43.1857737
.0215
'
74.632.2747
-215
'
66.896173
.1215
'
3
32
21
1=-=
=
-===
==
=
ρρρ
根据半径数值和通光口径的要求，确定透镜的厚度。

mm
d mm d mm
d 10565.9321===
3.3 后镜组的初始参数求解 根据已经选定的结构型式，后组为一个双胶合透镜组，求解的方法和前面的求法完全相同。

根据前面确定方法，要求独立校正球差、慧差和轴向色差。

因此后组的三个像差特性参数必须等于零， 即：
0===P C W
再根据ϕh 的规划公式，显然有：
0===P C W
由公式
()
()
()
μμ+-=++--P =P ∞
∞
2251412
11u W W
u W u ()7-1
对后组来说：
mm f 53'-=, mm d f l 6778145'1=-=-=
791.067
53'1-===
l f u 将791.0,01===P u W 代入()7-1，可求的
05.289.2==P ∞
∞
W ；
由公式()5-1 求的 73.085.02
00-=⎪⎭
⎫ ⎝⎛--P =P ∞
∞
W W
查表可得ZF1-K7玻璃组合，火石玻璃在前。

同理，可以求出后镜组的球
面对半径和各面的厚度
mm
r mm r r 03.5379.42654=-=∞
=
mm
d mm d 54.254==
最后的望远物镜的初级参数如表2所示 。

表2 内调焦望远物镜的机构参数
主要技术指标
结构
mm D mm f f D
355.122151.41=︒
=='='ω 面号 r
/mm d /mm
D n
ν 玻璃 1 89.66 2 -63.74 9.5 1.5163 64.1 K9 3 185.54
6 1.6725 32.2 ZF2 4 ∞
5 -42.79 2.4 1.6473 33.9 ZF1
6 53.03
2
1.5688
56.0
BaF7
第四章使用ZEMAX软件优化优化前的各种曲线图：
像差特性曲线图
光程特性曲线图
光学系统的调制传递函数图优化后的对应的曲线图：
像差特性曲线图光程特性曲线图
光学系统的调制传递函数图
第五章总结
这次光学课程设计，我介绍的是内调焦望远物镜的设计，虽然我学到的东西还不是很全，更也需还没有达到老师的所希望的水平，但是在这几天的设计中，我和其他同学相互相互讨论，交换意见和建议，并且包括了基础知识的积累、理论的成型。

在这次课程设计中，我知道了光学的重要性，就从我的设计题目来看，我们就可以知道它的重要性，因为我们都知道现在又很多地方都用的到望远镜。

特别是军队和天文学家们，那表现的就更加明显了。

所以，我们就可以知道光学的重要性，
设计的过程中，我很快认识到了自己掌握的知识还不足，某些方面的能力还是不够。

这也让我再次认识到知识的重要性，活到老，学到老，只有不断的充实自己、完善自己的知识理论体系，才能够更好的胜任自己以后的工作。

而且，将理论在某平台的实现是要付出非常的努力和耐心、并不断修正错误多次
试验、最后使理论和实践达成统一的过程。

设计中的不足让我深刻的认识到认真的学习和尽量掌握各方面知识是很重要的。

但是因为时间短促和自身水平的限制，设计中还有很多问题存在，还有这样或那样的遗憾，但我会在以后的学习中逐渐积累相关的知识和经验，所以，如果设计的结果没有让老师感到满意，或者没有达到老师要求的那样，希望老师能够理解，我已经很尽力了。

总而言之，在这次课程设计中，在各方面我获得了很多，对我有很大补充。

课设中酸甜苦辣，我们和老师共同度过。

老师给了我们鼓励和动力。

老师的悉心教导和无时无刻的关怀让我有点感动。

最后，向为期五天的光学课程设计说声拜拜，我很铭记这段时间，铭记这段时间里得到的宝贵经验和老师们的悉心教导和栽培。

参考文献
【1】刘钧高明. 光学设计.西安电子科技大学出版社.2006
【2】袁旭沧.光学设计.北京：科学出版社,1983
【3】光学仪器设计手册编辑组.光学仪器设计手册.国防科技出版社，1971 【4】光学设计软件ZEMAX.
【5】ZEMAX中文使用手册.讯技光电科技（上海）有限公司
电气工程学院课程设计评审意见表。