光学课程设计报告——华中科技大学

光学课程设计报告

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班级：光信0802

学号：U*********

目录

1.设计任务及要求 (2)

1.1设计任务 (2)

1.2设计技术要求 (2)

2.设计步骤 (2)

2.1总体设计流程图 (2)

2.2光学系统外形尺寸的计算 (3)

2.2.1 望远镜基本结构参数的确定 (3)

2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算 (3)

2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算 (5)

2.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算 (8)

2.3像差调节 (10)

2.3.1物镜的调节： (10)

2.3.2目镜的调节： (12)

2.3.3像质评价 (15)

4.附录：零件图与系统图 (16)

4.1双胶合物镜正透镜零件图 (17)

4.2光学系统图 (18)

1.设计任务及要求

1.1设计任务

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）1.2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。

2.设计步骤

2.1总体设计流程图

2.2光学系统外形尺寸的计算

2.2.1 望远镜基本结构参数的确定

焦距：由D/f1’=1：4，f1’=4D=120mm。又因为Γ=f1’/f2’，f2’=f1’/Γ=20mm。

出瞳大小：D’=D/Γ=5mm。

分划板口径：D分=2f1’tanω=16.7824mm。

出瞳的视场角：因为Γ=tanω’/tanω ，ω=4°，2ω’=45.522°。

2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算

普罗Ⅰ型转向棱镜基本结构如下：

普罗Ⅰ型转向棱镜是由两块等腰直角棱镜所构成的，具有转向的功能，可以解决开普勒望远镜成倒像的问题，使其成正立的实像，在本双筒望远镜系统中，棱镜位于目镜与分划板之间，对一块等腰直角棱镜进行棱镜的展开如下：

如图，D为棱镜的通光口径，L为棱镜的展开长度，由几何关系可知：L=2D。即可以将一块

等腰直角棱镜展开为厚度为L的玻璃平板，玻璃平板又可以等效为厚度d=L/n的空气平板，其中n为玻璃平板的折射率。因此系统可以等效为由物镜、目镜、分划板、两空气平板所组成得系统。将两空气平板放置在物镜与分划板之间，结构图如下：

目镜空气平板分划板物镜

由于系统可以50%渐晕，对于以最大视场角入射的平行光，如下图所示，分划板可以拦掉下半部分全部光线，使上半部分的光线全部通过。但是此法使最中间的光线不能全部通过而产生50%的渐晕，将使最终的成像质量比较差。

物镜分划板

为了解决上述方法带来的主光线成像质量的问题，采用下图所示的方法，使上下各25%的光产生渐晕，从而保证中间视场成像清晰。其中，下半部分25%的渐晕由目镜完成，上半部分25%的渐晕则借助于空气平板来拦光。

物镜空气平板分划板

当上光线的一半刚好被空气平板拦住时，几何关系如下图所示：

h

D 目/4 =7.5

D 分/2=8.3912A

B C

D

E

三角形ADE 中，由平行关系可以得到：

ℎ−

D 4D 分2−D

4

=

120−a 120

因为a>=14，取a=14.1，

可以解之得：h=8.2864mm ，

因此通光口径D=2h=16.5670mm ，为了给棱镜的装夹预留空间，

通常使D 稍大于2h ，取D=16.6mm ，则L=2D=33.134mm ，空气平板厚度

d =L/n =21.8954mm （棱镜材料采用最常见的K9玻璃，n=1.5163）

而平板间距b 规定为2~5mm ，取b=2.5mm ，所以第一块玻璃前表面到棱镜的距离为：

C=120-a-b-2x d =120-14.1-2.5-2x21.8954=59.6092mm 。 系统整体框架图如下：

正视图

由图中的几何关系可知：

物镜、目镜的间距为：l=c-b+a+20=91.2092mm ，

因此目镜的口径为：D 目=[(f1’+f2’)tanw+D ’/4]x2=22.0795.

2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算

外形尺寸：D=30mm ，f1’=120mm ，ω＝4°，sinU’m ≈tanU’m =

12

/

f D =15÷120=0.125

⑴物镜类型的选择

像质上，由于望远物镜视场比较小，所以只需要校正球差、色差和正弦差等轴上点像差即可。我们选择折射式望远物镜，主要有以下三种。

I.双分离物镜，优点是对玻璃的选择有较大的自由度，但是装配和校正都较麻烦，有较大的色球差，不宜在本设计中使用。

II.三片型物镜，由一个胶合透镜组和一个单片透镜组成，有利于高级球差和色球差的校正，但是装配与校正工艺较复杂，成本高，不宜采用。

III.双胶合物镜。特点是结构简单，制造与装配方便，但只适合小孔径的场合（最大100mm ），视场角不超过10，本物镜口径30mm ，最大视场角8，满足要求，故选择双胶合物镜。 ⑵PW 法计算物镜的初始结构（双胶合物镜） ①求h ，h z ，J

h=15，h z =0，J=nuy=n ’u ’y ’=1x0.125x8.3912=1.0489 ②计算平行平板的像差 006041.0125.05163

.115163.12.33214

3

2432-=⨯-⨯⨯-=--=I u n n d S P

003374.0125

.0180/4006041.0=⨯--='

=I ∏πu u S S z P 003634.012

2

-=--

=I u n n d C ν

③物镜的像差

要使 物镜+平板 系统的像差最小，即可以让二者的像差之和为零，互相抵消，即：

003634.0,003374.0,006041

.0=-==I ∏I C S S ④ 求P 、W 及归一化 0004027.0==

I

h

S P ，因为003217.0J S W 所以,-===∏∏JW S

使P 、W 归一化得：,2062.0)(3

==

ϕh P

P

2059.0)

120/115(003217

.0)(2

2-=⨯-==

ϕh W W 001938.0,2059.0，2062.0所以2

==

-====I

∞

∞

ϕ

h C C W W P P

⑤选物镜组合及其结构计算

选择火石玻璃在前的双胶合物镜，可知 ,2062.0)2.02059.0(85.02062.0)2.0(85.0220=+-⨯-=+-=∞

∞

W

P

P 根据

P 0、C I 的值从光学仪器手册中查找火石在前的玻璃组合，选取玻璃对F4+K3，同时可查得此对玻