光学课程设计--双筒棱镜望远镜设计

《光路设计》

课程设计报告

题目：双筒棱镜望远镜设计

院（系）：信息科学与工程学院

专业班级：光电1202班

学生姓名：

学号：***********

指导教师：

20 14 年 12 月 29 日至20 15 年 1 月 9 日

目录

设计任务与要求 (3)

设计步骤 (4)

一、外形尺寸计算 (4)

二、光学系统选型 (6)

三、物镜的设计 (7)

1、用PW法计算双胶合物镜初始结构： (7)

（1）求h，z h，J (7)

（2）求平板像差 (7)

（3）求物镜像差 (7)

（４）计算Ｐ，Ｗ (8)

（５）归一化处理 (8)

（６）选玻璃 (8)

（７）求形状系数Ｑ (9)

（８）求归一化条件下透镜各面的曲率 (9)

（９）求薄透镜各面的球面半径 (9)

（１０）求厚透镜各面的球面半径 (9)

2、物镜像差容限的计算 (10)

3、物镜像差校正 (11)

4、物镜像差曲线 (13)

四、目镜的设计 (14)

1、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构 (14)

（１）接目镜的相关参数计算 (14)

（2）场镜的相关参数计算 (15)

2、目镜像差容限的计算 (16)

3、目镜像差校正 (17)

4、目镜像差曲线 (20)

五、光瞳衔接与像质评价 (20)

1、光瞳衔接 (20)

2、像质评价 (21)

3、总体设计评价 (21)

学习体会 (22)

设计任务与要求

设计题目：双筒棱镜望远镜设计

设计技术要求：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

设计步骤

一、外形尺寸计算

由入瞳直径30D mm =及相对孔径

'

1:4D

f =，可得： 物镜焦距'

14120f D mm =⨯=

由6Γ=，知：

出瞳直径'

5D

D mm =

=Γ

目镜焦距''12

120206

f f mm ===Γ 由物方视场2ω=8，可得：

目镜通光口径'

''31

2

[()]222.084

D D f f tg mm ω=++⨯= 分划板直径'

21216.7824D f tg mm =ω=

分划板半径

2

8.39122

D = 又由：'

64tg tg tg ω=Γω=，可得：

像方视场'

245.5ω=

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：

普罗I 型棱镜

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33.522.11.5163

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：

8.3912

h

7.5

120

棱镜展开图

_

'

1

'

1/2f c h D f -= 其中_

c 为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。

代入数据，得：

_

8.28712015120

c

-=

解得：_

53.7c mm =

因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离c 满足：

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、光学系统选型

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 >

查阅相关光学手册，可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。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(图1)的特点是结构简单，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（图2）是在冉斯登目镜基础上发展起来的，它把接目镜改成了双胶镜。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。凯涅尔目镜的成像质量优于冉斯登目镜，它能适用的视场也大于冉斯登目镜。