基于卡塞格林系统的望远物镜设计(ZEMAX)

工程光学课程设计报告

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南通大学课程设计论文

目录

摘要 (i)

第一章绪论 (1)

1.1课程设计题目 (1)

1.2 设计要求 (1)

第二章望远物镜的设计与相关参数 (2)

2.1 望远物镜的主要参数 (2)

2.2 望远物镜结构类型 (3)

2.3 物镜的光学特性 (5)

2.3 卡塞格林光学系统 (5)

2.4 ZEMAX中的像质评价方法 (6)

第三章设计与优化 (10)

3.1设计过程 (10)

3.2优化过程 (14)

第四章运用Solid works对镜片进行绘制 (19)

第五章新得与体会 (23)

主要参考文献 (24)

摘要

由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量PW与透镜折射率n、孔径半径r、厚度d等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径r、厚度d、形状系数Q、曲率p。用光学设计软件ZEMAX对所求的结构参数进行了优化。光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。大体可以分为两个阶段。第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。这一阶段的设计成为“相差设计”，一般简称光学设计。

评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。

第一章绪论

1.1课程设计题目

基于卡塞格林的望远物镜设计

1.2 设计要求

（1）入瞳直径：D=20mm；

（2）相对孔径D/f’=1/6.15;

（3）视场角2ω=7°；

（4）在可见光波段设计（取d、F、C三种色光。d为主波长）；

（5）MTF值在67lp/mm处大于0.40；

（6）要求给出用ZEMAX优化减小球差和轴向色差的方法。

第二章望远物镜的设计与相关参数

2.1 望远物镜的主要参数

1.出瞳直径：光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径；

2.出瞳距离：出瞳到目镜最后一个表面的距离就是出瞳距离；

3.放大率：望远镜的放大率是指视放大率，视放大率是指当人眼分别通过望远系统观察和直接观察同一物体时，在人眼视网膜上成像的大小之比，即

；

4.视场：望远镜的视场是指人眼通过该仪器所能见到的物空间的最大范围，用所能见到的物空间最大范围的边缘向入瞳中心所引的张角的角度值来表示望

远镜的物方视场，像方视场用

'

'

tgw D

tgw D

Γ==像空间的边缘向出瞳中心所引的张角

的角度值来表示；

5.通光孔径:限制通过望远镜光能的图形框子（一般是物镜框）叫做入射瞳孔（简称入瞳），亦即望远镜物镜的通光孔径D。

6.分辨率：望远镜的分辨率用它所能分辨的物方无限远两个物点对望远镜物镜中心的张角∝表示（单位：秒）。望远镜的分辨率直接与入射瞳孔直径有关。

入射瞳孔直径（一般为物镜通光孔径）越大，望远镜分辨率就越高，观察的物体就越清晰。

7.透过率：望远镜的透过率影响所观察物体的亮度。透过率与多种因素（如玻璃对光的吸收，光学表面透射时的反射损失，光散射等）有关。特别是光学表面透射时的反射损失对透过率影响最大同时也影响成像清晰度。因此，望远镜的光学镜片与空气接触的表面都要渡减反射膜（增透膜）。镀的膜系不同望远镜的透光效果会不一样（单层透过率约50%、双层透过率约65%、多层膜透过率可达85%以上），以镀宽带增透膜效果最佳。但考虑价格因素一般只在光学零件数目较多或在较高档的望远镜中镀制宽带增透膜。判别一个望远镜的透过特性，可以观察镜片反光情况，若反光严重，则透光差，成像就模糊。

2.2 望远物镜结构类型

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：

（a ）双胶合：

视场为2ω＜10°，不同焦距适用的最大相对孔径f’/

'D f 为： 50/13、150/14、300/16、1000/110

。 （b ）双胶合-单：

相对孔径D/f’为1/3~1/2，透镜口径D ＜100mm ，视场角2ω＜5°。

（c）单-双胶合

相对孔径D/f’为1/3~1/2.5，透镜口径D小于100mm，视场角2ω＜5°。

（d）三分离

相对孔径D/f’为1/2~1/1.5，视场角2ω＜4°。

（e）对称式物镜：

适合于短焦距、大视场、小相对孔径使用，f’＜50，D/f’＜1/5,2ω＜30°。

（f）摄远（一）：

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（二）：

由双胶合-厚弯月构成。

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。

三是牛顿系统：它是由一个抛物面主镜和一块与光轴成45°的平面反射构成。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。