望远物镜设计

1.望远物镜有什么光学特性和像差特性?

望远物镜的光学特性有以下两点：

1.1相对孔径不大

在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D; f物）和目镜（D"目）的相对孔径是相等的。目镜的相对孔径主要由出瞳直径D和出瞳距离l z 决定。目前观察望远镜的出瞳直径D—般为4mm左右，出瞳距离l z一般要求20mm左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距f目一般不能小于25mm，这样目镜的相对孔径为D电1

f目25 6

所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。

1.2视场较小

I

望远镜的视放大率为tanW，目前常用目镜的视场2w'大多在70以下，

tan w

这就限制了物镜的视场不能太大。如一个8的望远镜，可得物镜视场2w为10。通常望远物镜的视场不大于10。

像差特性：

由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求

校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差L m，轴向色差L FC和边缘孔径

的正弦差SC m。而不校正X s，X p和y Z以及垂轴色差y Fc。

由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。所以物镜的L m，L FC，SC m常常不是校正到零，

而是要求它等于指定的数值。

望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般

对F （486.13nm）和C（656.28nm）校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。

2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：

视放大率：3.7 ；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：

2w 10 ;物镜焦距：f物 = 85mm;棱镜折射率：n=1.5163（K9）;棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。

为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差

为.5L m=0.1mm SC m 0.001 L FC0.05mm

要求：（1）计算棱镜的初级像差（2）双胶合物镜的初级像差求解

（3）利用ZEMAX自动设计程序进行优化设计

解答:

-15 0.088 170

f 物 tanw 85*tan(5 )

7.44 ; u z tan( 5 )

0.087

；

u

z

u

0.99

棱镜入射光束的相关参数:

匹D 得入瞳直径D=15mm ; u 呻

tan w D

f 物

J nu y 0.655;

棱镜本身参数为：d=31mm , n=1.5163, v=64.1 (1) 棱镜的初级像差:

S

H C

(2) 双胶合物镜的初级像差求解:

n

球差：S

0畸变：S v

n 2 1

3~ n

du 4 ;慧差：S u S u z u

S m

U z U

垂轴色差:

对于望远镜系统来说, 计算球差、 慧差和轴向色差:

du 4 =-0.00069; Sn S

n

土 =0.00068;

u

-0.00084

根据整个系统的要求，求出系统的像差和数S,S u Si C :

S u

h z P JW 0.00063, W=-0.00737

由P, h2C 0.00045, C 0.000008

C 求P ,W ,C

Cgf物0.000008*85=0.00068

$ 2nu'2 L' 2 (0.088)2 0.1 0.00159

S u 2nu'K s2n u'(SC'gy') 0.00131

I IQ I

S C n u L FC0.00039

以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求

得双胶合物镜的像差为：

S[ 0.00159 ( 0.00069) 0.0009

S u0.00131 0.00068 0.00063

0.00039 ( 0.00084) 0.00045

(2.1) 下面初级像差方程求P, W, C

hp 7.5* p 0.0009, P=-0.00012

0.00012=-0.176

0.0883

哼=-0.952

0.0882

由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化: P =P -0.176, W =W -0.952, C 0.00068

一——2

P0=P -0.85 W -0.15 -1.208

C

°.00068，p 0=-1.208 Q o

5.10

(2.3) 求透镜组半

径

V

所以

0.00068 V 1 1

33.9

V 2

1 58.9 V 1

1

33.9

1.302 结构参数：Q Q 0

W

1.67

吐 5.10 0.952 0.15

1.67

6.142

上面的半径对应于焦距为

(2.2)

根据P 0和C 选玻璃，得到:

K

〔0: n D =1.5181，v=58.9

ZF 1

: n D =1.6475, v=33.9

2.302

由上面的结果求半径:

—1 Q 2.302 6.142

3.84

r 2

1，将它们乘以焦距f 物=85mm ，最后求得半径为:

r 1 140.96, r 2 22.14, r 3

46.47

(2.4) 透镜厚度的选择：d 1 4,d 2 2

1 1 r 1 ni 1

r 2 1 1

「3 S

r )2 1

2.302 1.5181 1

3.84 0.603

3.84

1.302 1.6475 1

1.829