光学课程设计报告--双筒棱镜望远镜设计.doc

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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 (

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