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'1:4Df =，可得： 物镜焦距'14120f D mm =⨯=由6Γ=，知：出瞳直径'5DD mm ==Γ目镜焦距''12120206f f mm ===Γ 由物方视场2ω=8，可得：目镜通光口径'''312[()]222.084D D f f tg mm ω=++⨯= 分划板直径'21216.7824D f tg mm =ω=分划板半径28.39122D = 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：7.51208.39127.5120h 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33.522.11.5163L 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：8.3912h7.5120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：_8.28712015120c-=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。

凯涅尔目镜的光学性能是：视场240~50ω=，相对镜目距''/1/2p f =。

三、物镜的设计1、用PW 法计算双胶合物镜初始结构： （1）求h ，z h ，J入瞳半径152Dh mm == 第二近轴光线在入瞳的入射高度0z h = 拉赫不变量'''1518.3912 1.0489120J nuy n u y ===⨯⨯= （2）求平板像差24310.006096IP n S d u n-=-=-0.003404zIIP IP u S S u=⨯= ()2210.003667IP d n C u n ν-=-=-其中：33.5267d mm =⨯= 1.5163n = 150.125120u == 4180z u π=⨯ （3）求物镜像差图2 凯涅尔目镜的光学结构图1 双胶合物镜的光学结构物镜像差要与平板像差以前校正，因此物镜与平板相应的像差之和应为零：0.006096I IP S S =-= 0.003404II IIP S S =-=- 0.003667I IP C C =-=（４）计算Ｐ，Ｗ由I S hP =，II z S h P JW JW =+=得0.0004064I S P h ==，0.0032453II SW J==- （５）归一化处理()___30.20808PP h ϕ==()___20.2077WW h ϕ==-___20.001956IC C h ϕ== 又望远物镜物在无穷远，所以：______P P ∞=______W W ∞=可得：2___00.850.10.19822P P W ∞∞⎛⎫=-+= ⎪⎝⎭（冕牌玻璃在前）2___00.850.20.20803P P W ∞∞⎛⎫=-+= ⎪⎝⎭（火石玻璃在前）（６）选玻璃根据___0.001956C =与0P 的值查光学设计手册，可知F4-K3玻璃对在___0.002C =时，00.217434P =，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选F4-K3玻璃对。

根据光学手册关于F4-K3玻璃对的详细信息：00.217434P =，0 5.087553Q =，00.224789W =-1 1.112774ϕ=-， 2.434539A =， 1.717269K =1 1.6199n =，2 1.5046n =（７）求形状系数Ｑ0Q Q = __00W W Q Q K∞-=+因__P ∞＜0P ，取下式的Ｑ值，得：5.0925Q =（８）求归一化条件下透镜各面的曲率1111 2.18471n Q n ϕρ=+=- 21 3.9797Q ρϕ=+=2132210.207311n Q n n ϕρ=+-=--- （９）求薄透镜各面的球面半径'11154.93f r mm ρ=='12232.15f r mm ρ=='133578.9f r mm ρ==-（１０）求厚透镜各面的球面半径 物镜外径的确定。

根据设计要求：30D mm =。

物镜用压圈固定，其所需余量由光学设计手册查得为2mm ，由此可得物镜的外径为32mm 。

光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。

为了使透镜在加工过程中不易变形，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系： 对凸透镜：高精度 37d t D +≥中精度 614d t D +≥其中还必须满足0.05d D >对凹透镜：高精度 82d t D +≥且0.05d D ≥中精度 164d t D +≥且0.03d D ≥式中，d 为中心厚度，t 为边缘厚度。

根据上面公式，取高精度可求出凸透镜和凹透镜的厚度。

凸透镜：()23310D x x t -+=式中2x 、3x 为球面矢高，可由下式求得：222D x r r ⎛⎫=±- ⎪⎝⎭式中人为折射球面半径，D 为透镜外径。

凸透镜最小中心厚度为112d x t x =++ 同理可得：凹透镜：()21810D x x t +-=凹透镜最小中心厚度112d t x x =-+代入物镜的相关参数，可得1 2.6d mm =，2 6.0d mm = 2、物镜像差容限的计算根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。

令其小于或等于14波长，即可得到边光球差的容限公式为：'''24m mL n u λδ≤对边光校正好球差后，0.707带的光线具有最大的剩余球差。

即'0m L δ=时的带光球差容限为'0.707''260.2262mL mm n u λδ≤= 实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。

固此时边光球差的容限为1倍焦深。

即：'''20.0377m mL mm n uλδ≤=类似与球差，其它像差容限为： 位置色差：'''20.0377FC mL mm n u λ∆≤=正弦差：0.0025SC ≤弧矢彗差：'0.02S K SC y mm =⋅≤厚透镜中心厚度图1x 2x 3x -1d2dt D3、物镜像差校正考虑到价格问题，我在进行像差校正时透镜半径全部选用了价格最便宜，使用最多的250系列标准半径，并且很好的校正了像差。

最终的结果如下：-------输入数据--------1.初始参数物距半视场角(°) 入瞳半径0 4 15系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕7 3 0 1 -1理想面焦距理想面距离0 0面序号半径厚度玻璃STO 60.2600 1.500 12 32.2100 8.000 F43 -304.8000 54.000 K34 0.0000 33.500 15 0.0000 2.000 K96 0.0000 33.500 17 0.0000 14.546 K9☆定义了下列玻璃:K3 1.504558 1.510019 1.502222K9 1.5163 1.521955 1.513895F4 1.6199 1.632096 1.615036-------计算结果--------1.高斯参数有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')120.18450 14.54584 -119.33743 14.54584入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率( )0.00000 -106.49164 8.40412 0.00000入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U')30.00000 30.21292 -0.31467 0.12481 2.像差***零视场像差***1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 'L δ -0.0127 -0.0695 -0.0784 -0.0548 -0.0231 0.0000 弥散园 'R L δ -0.0016 -0.0074 -0.0069 -0.0034 -0.0009 0.0000F 光球差 'F L δ 0.1049 0.0089 -0.0290 -0.0356 -0.0220 -0.0087 C 光球差 C L δ 0.0170 -0.0258 -0.0244 0.0100 0.0483 0.0749轴向色差 'FC L δ 0.0879 0.0347 -0.0046 -0.0456 -0.0703 -0.0836***D 光各视场像差***相对视场 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H1 -0.0154 -0.0021 0.0002 -0.0017 0.0001 0.00010.85 -0.0130 -0.0018 0.0002 -0.0015 0.0000 0.00010.7071 -0.0107 -0.0014 0.0002 -0.0013 0.0000 0.00010.5 -0.0075 -0.0010 0.0001 -0.0010 0.0000 0.0001 0.3 -0.0045 -0.0006 0.0001 -0.0006 0.0000 0.0000 4、物镜像差曲线四、目镜的设计1、用PW 法计算凯涅尔目镜初始结构 目镜为放大系统，需反向设计。