应用光学课程设计---双筒棱镜望远镜设计

应用光学课程设计

一、设计题目

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

二、本课程设计的目的和要求

1、综合运用课程的基本理论知识，进一步培养理论联系实际的能力和独立工作的能力。

2、初步掌握简单的、典型的、与新型系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘制、光学零件技术要求等。

3、巩固和消化课程中所学的知识，初步了解新型光学系统的特点，为学习专业课与进行毕业设计打下好的基础。

三、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

四、设计报告撰写内容

本课程设计要求以设计报告形式完成以下工作：

1、认真学习相关像差理论和光学设计知识，做好笔记，完成例题作业并上交；

2、根据所讲内容进行本设计具体参数以及结构形式的选择，说明选择理论依据；

3、进行本设计的外形尺寸计算，要求写明计算过程；

4、使用PW法进行初始结构参数r、d、n的求解，要求写明计算过程；

5、计算本设计的像差容限，使用Tcos软件完成设计的模拟和计算，手工修改结构参数进行像差的校正；

6、绘制相应的像差曲线图和计算数据报表；

7、写出本次课程设计的心得体会。

第5章 望远系统设计范例

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。

下面我们将根据以上步骤来示范本次设计

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

Q 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）

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：

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 mm ≈棱，8.2872D

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

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。

（因为''''e o D f D f =出入） 7、总体结构

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

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=o ，'120f mm =

目镜：'20f mm ='245.5ω=o ，5D mm =出，'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：

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（可用正弦差代替）

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。

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10o 。