高明老师-光学设计(4)望远

（2）根据焦距计算缩放比K f设计焦距 K 最好K>1 f现有焦距 （3）将现有结构中的所有线量 （r,d,D,l,lz,y,δL′,……）放大K倍，角量如 （ ， sinu）和相对量如δy′z/y′z=q不变。 （4）估计使用条件下的像差和瞳孔位置的 变化。
（5）检查和调整间隔（中心厚或边缘厚）， 满足工艺要求，必要时更换玻璃材料（尽 可能国产常用，并保证折射率和色散值）。 （6）上机计算。首先检查焦距，是否为预 想值，若相差太远，可复查缩放过程或原 始值。再查其他值，或作像差校正等。
若物镜焦距加大，相对孔径则随之减少， 在获得优良像质的情况下，它们之间的对 应关系如下表 ： 物镜焦距与相对孔径的对应关系
焦距
50 相对 孔径 100 150 200 300 500 1000
1 3
1 3.5
1 4
1 5
1 6
1 8
1 10
⒉ 双分离物镜设计 双分离物镜的正负透镜用一空气隙隔开，弯 曲较双胶合物镜自由，能减少中间带球差， 加大相对孔径（1／2.5～ 1／3），视场角达 12º ，色球差不能校正，二级光谱由于透镜分 离而略有增大。它和双胶合物镜比较有如下 优缺点：
这种物镜的缺点是：系统的相对孔径比较小， 因前组的相对孔径一般比整个系统的相对孔 D f ' 4 径大一倍以上，如双胶合光组 ,1 则整 个光组的为 D f '。 1 8
⒉ 双胶合-厚弯月摄远物镜设计 立式光学比较仪物镜就属于这一类型，引入 厚弯月透镜为了校正场曲。
一般光学系统设计过程可以大致分为三个 步骤： (a)根据外形尺寸计算对物镜的焦距、相 对孔径和视场以及成像质量提出的要求， 选定物镜的结构型式； (b)应用薄透镜系统初级像差公式求透镜 组的初始结构参数； (c)通过光路计算求出实际像差，然后进 行微量校正，得到最后结果。
L 'CFD
L 'F L 'C
2
0.0085 0.069 L' 0.0024 0.036 2
(3)正弦差： 设计结果=0.0008，很小。 总的来看，以上设计结果中，球差和彗差 都校正得很好。0.7071口径的色差校正得 也可以，但是由于存在色球差，因此近轴 色差略大一些，二级光谱色差稍稍超出公 差，但也近似于一个焦深公差。关于二级 光谱色差，我们知道，使用一般光学玻璃 根本无法校正二级光谱色差，所以在一些 焦距比较长、相对孔径比较大的望远物镜 中允许适当超出公差，总的来说上述例子 的像差质量还是比较好的。
内调焦望远物镜由正、负光组组合使主面 前移，缩短了望远镜的筒长。在调焦过程 中，前组正光组与分划板的相对位置不变， 仅通过移动调节中间负光组使不同位置的 远方物体像落在分划板的刻线面上完成调 焦。 结构形式如图所示
调焦镜
分划板
Δ
图
内调焦望远镜基本结构
1 1 1 , l2 l1 ' d l1 ' l1 f d d 0 d , l2 ' L d 1 1 1 L d l1 ' d f 2 '
f 2 f1
2
望远系统的放大率取决于望远系统的物镜 和目镜焦距。
对于目视光学仪器来说，更有意义的特性 是它的视放大率，即人眼通过望远系统观 察物体时，物体的像对眼睛的张角 的正 切值与眼睛直接观察物体时物体对眼睛的 张角ω的正切值之比，用Γ表示。
tan Γ= tan
⑴ 适用于直径加大的情况,双胶合物镜因受 胶层应力及脱胶的影响，直径不宜超过100 ㎜，而双分离物镜没有这种限制； ⑵ 光能损失比双胶合物镜大些； ⑶ 双分离物镜装配对中困难，使用中也容易 丧失共轴性。
三．摄远物镜设计 摄远物镜是由一正透镜组和一远离的负透镜 组成，或在双胶合物镜后加一块厚弯月形透 镜组成。这种物镜除校正球差，彗差和像散 外，由于后组是负光焦度，故能校正场曲。 这种物镜主面外移，能缩短筒长。
f1 f 2

第二节 望远物镜设计 一．望远物镜光学特性与结构类型 ⒈ 光学特性 （1）相对孔径不大； 望远物镜的相对孔径D/f’一般小于1/5。 （2）视场较小； 通常望远物镜的视场不大于10°。 由于望远物镜视场较小，因此，通常只校正 球差、彗差和轴向色差。
1
0.047 0.0119 0.0185 -3.87 -1.8236
0.7
-0.0125 -0.0933 0.0127 -2.8112 -0.9167
0.5
-0.0147 -0.1425 0.0089 -1.9524 -0.4596
r 83.521 -48.399 -137.363
d 3.68 2.45
第四章
典型光学系统设计
第一节 望远光学系 统 一、望远系统的一般 特性 望远系统一般由物镜、 目镜和棱镜（或透镜） 转像系统构成。
物镜（孔径光阑） 视ຫໍສະໝຸດ Baidu光阑 ω 目镜 出射光瞳
望远系统的放大率主要有以下几种： f 2 垂轴放大率
f1
角放大率 轴向放大率
f1 f 2
（ｆ）摄远㈠： 由正、负两个分离薄 透镜组构成，系统长 度小于焦距，系统的 相对孔径受前组相对 孔径的限制。
（ｇ）摄远物镜㈡： 由双胶合-厚弯月构 成。
（h）内调焦物镜： 对于测量用的望远物镜在其焦平面上安装 有分划板。要求无限远物体的像平面与分 划板的刻线平面重合，这样通过目镜可以 同时看清分划板刻线和无限远物体的像。 能实现调焦的光学系统有两种调焦方式， 即外调焦和内调焦。 外调焦是通过目镜和分划板的整体移动而 使望远物镜不同距离物体的像与分划板刻 线重合，完成调焦。这种调焦的结构比较 简单。
(2)色差： 根据表6-4的像差结果：
L'FCm 0.0078
' l LFCm0.7071 0.0403 FC 0.1095
以上色差在0.7071口径基本上巳校正，边 缘和近轴色差属于色球差。由色球差性质 可知，对应色差的公差为两倍焦深，等于 0.0416，而实际的近轴色差已超出公差要 求。下面对0．7071口径计算二级光谱色 差得：
0.7 0.0024 0.0002 -0.5867 -0.2753 0.0005 -0.0403
0.5 -0.0059 0.0001 -0.4065 -0.1907 0.0003 -0.0853
对上述双胶合望远物镜进行像质评价。根 据物镜的光学特性： f ' 122.97 2hm 20 hm 则 10
由例1得到的参数，找到一满足该系统的近似结构如 表6-2所示。 表6-2 近似结构的系统参数及像差
r
136.14 -78.89 -223.9
d
6 4
nD
1.5163 f′=200.49 1.6475 D=36 L′F=196.44 2ω =12° δ L △LFC KT0.5 X′t X′s
（ａ）双胶合: 视场为 2 ＜10º ，不同 焦距适用的最大相对孔 径 f / D 为：
f
1 1 1 1 50 / 、 150 / 、 300 / 、 1000 / 。 3 4 6 10
(ｂ) 双胶合-单: 相对孔径 D f ' 为 1／3～1／2，透镜 口径 D ＜100㎜,视 场角 2＜5º 。
例1 设计一，D=20mm相对孔径为 D 1 0 视场 ' 的望远物镜。 2 7
f 6.15
，
根据题目要求，选择双胶合望远物镜较合适。 ' 焦距 f 6.15D 123 ，按上述光学参数可 对该物镜进行设计计算。
缩放法：所谓缩放，即根据对光学系统的 要求，找出性能参数比较接近的已有结构， 将其各尺寸乘以缩放比K，得到所要求的 系统结构，并估计其像差的大小或变化趋 势。其缩放步骤如下： （1）根据所设计光学系统的外部参数，由 手册等资料选取比较接近的现有结构。 ' 外部参数指D（或nsinu）、 2 等， f、 其中 主要是不能相差太大，相差太大即失 去原有数据的参考价值。
u 'm f' 122.97 0.08132
根据焦深公差的公式有：
n ' u 'm 对目视光学仪器，取平均波长0.00055mm 代入公式得：
0.00055 0.0831 2 1 (0.08132)


2
(1)球差： 根据表6-4的像差结果： L ' 0.7 0.0024 L 'm 0.0201 由以上结果看到，球差没有完全校正，主 要为初级球差，根据初级球差公差的公式 得 L 'm 4 0.3326 实际的边缘球差远小于公差要求，所以这 个透镜组球差校正得相当好。
三是牛顿系统：它由一个抛物面主镜和一 块与光轴成45°的平面反射镜构成。抛物 面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个 理想的像点。第二个平面反射镜同样能理 想成像。
折反射系统是卡塞格林系统的改进。它是由 球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。
二．双胶合物镜，双分离物镜设计 ⒈ 双胶合物镜的设计 双胶合物镜是一种常用的望远物镜，它的结 构简单，光能损失小，合理选择玻璃和弯曲 能校正球差，彗差和色差，但不能消除像散， 场曲与畸变，故视场不大，一般不超过10º ， 二级光谱与色球差也不能校正。 对于双胶合物镜，一般在焦距不长，相对孔 径不大的系统中采用。
（2）反射式和折反射式物镜 反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系 统中采用。 双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三 种形式： 一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面， 副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；
二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面， 副镜是椭球面，成正像，镜筒长。
nD 1.5163 f′=123 1.6475 D=22.086 L′F=120.51 2ω =12° δ L △LFC KT0.5 X′t X′s
1 0.0278 0.0062 0.0113 -2.3765 -1.1187
0.7 -0.0078 -0.0578 0.0094 -1.7246 -0.8107
(ｃ) 单-双胶合: 相对孔径 D f ' 为 1／3～1／2.5， 透 镜口径 D ≤100㎜, 视 5º 场角 2＜ 。
（ｄ）三分离: 相对孔径 D f ' 为 1／2～1／1.5，视 场角2 ＜4º 。
(ｅ) 对称式物镜: 适合于短焦距、大视 场、小相对孔径使 f '＜50， 用， D f'＜ 2 ＜30º 1／5， 。
0.5 -0.0090 -0.088 0.0078 -1.19781 -0.5624
r 83.42 -48.1 -136.6
d 3.8 2.5
n 1.5163 1.6199 f′=122.97 D=20 L′F=122.72 2ω =7° δ L′ KT0.5 X′t X′s SC/ △LFC
1 0.0201 0.0005 -0.8109 -0.3806 0.0008 -0.0078
⒈ 正-负镜组远离摄远物镜设计 这种结构形式的优点有： ⑴ L （系统长度）＜ f ' ,一 般 L ＝（2／3～ f' 3／4） ⑵ 因为由两薄透镜组构成，因此可能校正 4种单色像差—球差，彗差，场曲和像散，因 此它的视场角比较大，同时可利用它的校正 像差的能力来补偿目镜的像差，使目镜的结 构简化，或提高整个系统的像质。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转 像系统配合使用，所以在设计物镜时应当 考虑到它和其它部分的像差补偿。 望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学 仪器一般对F光（ 486.3nm）和C光 （ 656.28nm）计算和校正色差，对D光 （ 589.3nm ）校正单色像差。
2、结构类型 望远物镜分折射式、反射式和折反射式三 类。 （1）折射式物镜 折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双 胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远 6种。其主要光学特性、特点如下：