光学课程设计报告--双筒棱镜望远镜设计.doc

光学课程设计报告 姓名：俞宝清 学号：U200813182 班级：光信0803班 学校：华中科技大学 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，， 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 附:零件图与系统图 24 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 由入瞳直径及相对孔径，可得： 物镜焦距 由，知： 出瞳直径 目镜焦距 由物方视场，可得： 目镜通光口径 分划板直径 分划板半径 又由：，可得： 像方视场 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： 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： 其中为第二块平板的后表面到 分划板的距离，根据要求，可取 。 解得： 由此可得： 等效平板厚度 所以棱镜展开的实际厚度： 考虑到棱镜的装配，取 因此，等效空气平板厚度 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（4）），则物镜到第一个棱镜前表面的最小距离 其中为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。 代入数据，得： 解得： 因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离c满足： 其中为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取 由知，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：，， 目镜：，， 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。 焦距/mm 50 100 150 200 300 500 1000 相对孔径 1:3 1:5 1:4 1:5 1:6 1:8 1:10 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，相对镜目距。 三、物镜的设计 1、用PW法计算双胶合物镜初始结构： （1）求，， 入瞳半径 第二近轴光线在入瞳的入射高度 拉赫不变量 （2）求平板像差 其中： （3）求物镜像差 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： （４）计算Ｐ，Ｗ 由， 得， （５）归一化处理 又望远物镜物在无穷远，所以： 可得： （冕牌玻璃在前） （火石玻璃在前） （６）选玻璃 根据与的值查光学设计手册，可知F4-K3玻璃对在时，，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： ，， ，， ， （７）求形状系数Ｑ 因＜，取下式的Ｑ值，得： （８）求归一化条件下透镜各面的曲率 （９）求薄透镜各面的球面半径 （