望远镜设计计算指导和双胶合物镜设计

《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指

导

说明：

1、本指导将全面介绍带有普罗I型转像棱镜系统的望远镜设计过程以及计算，作为《应用光学》课程设计的实习范例。实验报告需在此基础上完善和修改，严禁全盘抄袭本指导，否则作0分处理！

2、本指导省略了理论分析部分，计算依据请参考有关资料。

题目：双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

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

我们的工作将按照以下步骤进行：

1、系统外形尺寸的计算：根据需求确定像差，选型；

2、使用PW法进行初始结构的计算：确定系统的r、

d、n；

3、像差的校正：通过修改r、d、n，调整像差至容限之内；

4、进行像质评价，总结数据图表，完成设计。

第一部分：外形尺寸计算

一、各类尺寸计算 1、计算'f o

和'f e

由技术要求有：1

'4

o D f =

，又30D mm =，所以'120o f mm =。 又放大率Γ＝6

倍，所以''206o e f f mm ==。

2、计算D 出

30

3056

D D D mm =∴=

=

=Γ

物出物 3、计算D 视场

2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==⨯⨯=视场

4、计算'ω（目镜视场）

''45o tg tg ωωωΓ⨯=⇒≈

5、计算棱镜通光口径D 棱

（将棱镜展开为平行平板，理论略） 问题：如何考虑渐晕？

我们还是采取50%渐晕，但是拦掉哪一部分光呢？

拦掉下半部分光对成像质量没有改善（对称结构，只能使光能减少），所以我们选择上下边缘各拦掉25%的光，保留中间的50%。即保留中间像质好的，去掉边缘像质不好的。

下半的25%由目镜拦掉，上半的25%由棱镜拦掉，只留下中间的50%。

如图：

移出梯形后计算：141202224D D D D ⎛⎫⎛⎫

--

⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

棱物视视＝，此处后截距取大于14mm 即可，我取14mm 。

又

30D mm

=物，

16.7824D mm

=视场，所以有

16.574D m m ≈棱，

8.2872

D mm =棱。

所以展开厚度

233.15L D mm

==棱，因为装配需要，取

33.5L mm =，空气平板的长度22.1L

d mm n

=

≈。即(n=1.5163)

物镜距棱镜第一面为59.8mm 。

验算：取59.8mm 会不会挡轴上点的光？

如图求得极限距离为53.7mm ，若小于此距离时候棱镜档光，取59.8是可以的。

意义：说明之前取后截距14mm ≥，但是不能取得太大，否则棱镜离物镜太近了会挡光！

6、求目镜口径D 目

D 目无渐晕时候，()'2''2o e D D f f tg ω⎡

⎤=++⎢⎥⎣⎦

出目，现在有25%的渐晕，

所以()'2''22.084o e D D f f tg mm ω⎡⎤

=++

=⎢⎥⎣⎦

出目 7、结构

总尺寸59.821420101091.820111.8110L mm =-++++=+=≈

二、选型

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） 对目镜：大视场，小孔径。要校正：像散、场曲、畸变、慧差、倍率色差。

选择：物镜—双胶合；目镜—凯涅耳目镜。

第二部分：PW 法求初始结构参数（双胶合物镜

设计）

（PW 法理论略）

一、求解本设计的结构

已知'120,30,28o o f mm D mm ω===

1、求,,z

h 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 注意：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。

2、平板像差

两个平板，厚度为2233.567L mm =⨯=，所以有

24

310.006906Ip n S du n -=-=-∑，

其中67, 1.5163(9),0.125,0.6096,64.06p d mm n K u u ν====-=；

(

)0.003404p IIp IIp u S S u

==∑∑；

2

2

(1)0.003670Ip

d n C

u n ν

--=

=-∑ 3、双胶合物镜像差

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）

即双胶合像差0.0069060.0034040.003667I II I

S S C =⎧⎪=-⎨⎪=+⎩

进行规化后： 1）2,0.001958I

I C C C C h ϕ

→=

=