双筒棱镜望远镜设计

汉口学院

《应用光学》

课程设计报告

报告题目：双筒棱镜望远镜设计学生姓名：

学号：

专业班级：

授课老师：

二O一四年十一月

双筒棱镜望远镜设计

设计任务与要求

双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：

1、望远镜的放大率Γ＝6倍；

2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝

30mm）；

3、望远镜的视场角2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。

6、lz ′>8～10mm

目录

一、外形尺寸计算

二、初始结构的选型

三、物镜初始结构参数的计算

四、物镜zemax的初始上机数据及像差图示

五、物镜zemax 的校正数据及像差图示

设计步骤

一、 外形尺寸计算 已知望远镜参数：

Γ＝6，入瞳直径30D mm =，相对孔径

'

1:4D

f =，2ω＝8°，L=110mm ； 视场边缘允许50%的渐晕；

棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm 1、求1'f ，2'f

物镜焦距'14120f D mm =⨯=

目镜焦距''12

120

206

f f mm ==

=Γ

2、求'D 出瞳直径'5D

D mm =

=Γ

3、求视场直径

16.7824mm =tan4f 2=D '1 ⨯⨯视

4、求目镜视场

5.452tan =tan ''=⇒Γωωω

2ω

该望远系统采用普罗I型棱镜转像，普罗I型棱镜如下图：

将普罗I型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：

无渐晕时候，，现在有25%的渐目镜口径D

目

晕，所以

由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统，使像质较好。

在上图中截取平板拦光部分的梯形进行研究，如下图，可得比例关系：

7.51208.39127.5120

h a

--=-

其中a 为第二块平板的后表面到分划板的距离，根据要求，可取

14a mm =。

解得：8.287h mm = 由此可得：

等效平板厚度216.574D h mm ==

所以棱镜展开的实际厚度：33.148L KD mm == 考虑到棱镜的装配，取33.5L mm = 因此，等效空气平板厚度33.5

22.11.5163

L d mm n =

== 考虑到棱镜通光口径有限，因此需考虑到全孔径全视场的光线要能通过棱镜的第一个面（如下图），则物镜到第一个棱镜前表面的最小距离必须满足：

其中_

c 为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。

实际物镜到第一个棱镜前表面的距离：

120259.8c a b d mm =---=

其中b 为普罗I 型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取

2b mm =

由_

c c >知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。

二、初始结构的选型

根据设计技术要求与外形尺寸计算结果：

物镜：'/1:4D f =，28ω=，'120f mm =

目镜：'20f mm ='245.5ω=，5D mm =，'8~10z l mm >

由查阅资料与老师讲解知，物镜为大孔径小视场，而目镜为小孔径大视场系统，可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。 望远镜：孔径大，视场小，所以轴外像差小，只需要校正轴上点像差。

两种轴上点像差：球差、位置色差。与孔径相关。

其余轴外像差：与视场相关，但慧差与孔径和视场都相关，所以也要考虑慧差。 所以：

对于物镜：校正球差、位置色差、慧差（用正弦差代替） 对于目镜：大视场，小孔径。要校正：像散、场曲、畸变、慧差、倍率色差。

相关的结构特点，像差特性和光学性能如下：

双胶合望远物镜，结构简单，制造和装配方便，光能损失较小。玻璃选择得当，可以同时校正球差，正弦差和色差。当高级球差得到平衡时，胶合面的曲率较大，剩余的带球差偏大。因而，双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。常见的孔径如表所示。

考虑到胶合面有脱胶的概率，双胶合物镜的口径不宜过大，最大口径为100mm 。双胶合物镜能适应的视场角不超过10。

凯涅尔目镜，接目镜为双胶镜，增加一个胶合面变数用来校正倍率色差，且在校正倍率色差的同时可以把场镜和接目镜的间隔进一步减小，从而取得结构缩短，场曲减小的效果。 光学性能：视场240~50ω=，相对镜目距''/1/2p f =。

三、物镜初始结构参数的计算 1. 求h ，z h ，J

由设计条件，有()1520''' 1.4089('0.125,''8.3912,'1)

'z

o o D h mm h J n u y h u y f tg mm n f ω⎧==⎪⎪

⎪=⎨==⎪⎪

=====⎪⎩

孔径光阑在物镜框上 2. 求平板像差

（由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差）

u=0.125，u Z =︒-4=-0.0698，675.332=⨯=d ,5163.1=n ,1.64=ν

3. 求物镜像差

双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。 （若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）

0.006096I IP S S =-=；

0.003404II IIP S S =-=-；

0.003667I IP C C =-= （1） 根据C I 求C ，并规划成C

22

0.003667

1200.001956(15)C C h φI ==⨯= （2） 根据,S S I II 求P 、W

⎪⎪⎪

⎩⎪

⎪

⎪⎨⎧-=--=∑==∑-=--=∑∏003667.0)1(003404.0)(006096.012

2

24

3

2u n n d C u u S S u n n d S IP Z IP

P IP ν