伽利略望远镜设计

1、伽利略望远镜设计报告1.总体设计要求及方法5X，筒长为250mm，物镜最大其放大倍率大于1。光路图课题要求设计一个伽利略望远系统，要求：放大倍率为 直径不大于25mm,接受器为人眼。伽利略望远镜是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成, 如下：lz图1伽利略望远镜光路图为对光学系统进行迭代设计和优化，采用光学设计软件Zemax对望远镜的物镜、目镜分别进行建模和优化，以取代繁琐复杂的光路计算。之后再将二者组合建模，并对最后的成像质 量进行详细的评价。2.光学系统设计初步参数设计根据系统设计要求，镜筒长度 250mm，而物镜到目镜的间距为：视觉放大率要求为 5x，故有：fo'/fe 5I应当

2、略小于筒长，因此将 I设计为240mm，计算得出物镜焦距 fo为300mm，目镜焦距fe 为60mm。伽利略望远镜一般以人眼作为视场光阑，物镜框为视场光阑，同时为望远系统的入射窗。由于视场光阑不与物面重合， 因此伽利略望远镜一般存在渐晕现象。 出瞳应位于人 眼观察处，为方便观察，设定出瞳距离目镜 15mm处，物镜的直径为 25mm，因此出瞳据物 镜距离为：lzz2当视场为50%渐晕时，望远镜的视场角为:tan计算得出望远镜的视场角 3为°可见伽利略望远镜的视场非常小。物镜设计结构选择般有三种结构形式： 折射式、反射式和折返式。而一般军用光学仪器和计量仪器中使用的望远镜物镜为折射式物镜

3、。单透镜的色差和球差都相当严重，现代望远镜一般都采用两块或多块透镜组成的镜组。其中又可分为双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜、摄远物镜，如 下图所示。双分离物镜m,三分翻镜图2常见的物镜结构双胶合物镜是最简单和常用的望远物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。双胶合物镜的优点为结构简单，制造和装配方便。通过选择材料以及弯曲镜面可以矫正透镜组的球差、 彗差和轴向色差。优化设计根据前面的计算，物镜焦距f。'设计为300mm，最大口径为25mm。目视光学系统，波段选取为可见光波段 卩卩玛并将人眼敏感的绿光 um设为主要计算波段，如下图所示：Wdvelengih DataWaelen gih

4、miUE eeR O.dOOOOOOO|0.55t»0«0otnnnnno0.750000000560000000.550QO»Q0.55000 MOo.oQonooisoooocoO.550U0MJ0O.55DnnmiolO.DUOMOS£led->F” 氏匚（VisibleWeightI厂卩0S5C30CDO1rn0 550000 D01厂苗|n 顽0 001厂苗U-0 55QD0-JU'厂100 55C300DOT厂190.550 DOC DO厂20Q 阪（JUMWQ厂210 55C30CDO厂ZZ1 550 DU ： DD厂旧0 5

5、50 000001厂SMo.saooQooV/evfj mrwjth （m ctdfeI已怅.Weigh-DKCar-QvlSort旦*LuedPri/nBiy图3 Zemax波段设置 在系统设置中设定入射光瞳（ 如图所示：Entrance Pupil Diameter）的大小设为 25mm，视场角设为图4视场角设置选定一组合适的初始参数在Zemax进行建模和优化,择SF1。初始参数如下表：表1物镜初始参数表凸透镜的材料选择 BK7,凹透镜材料选选取三个折射面的半径和最后一个面的厚度作为优化变量，根据要求选取优化函数，其中应当在优化函数中选取有效焦距EFFL为优化变量，目标值选为240mm，即

6、物镜焦距的设计值。并在优化函数中赋予较高的权重，这样可以使得Zemax优化得出符合焦距要求的设计。优化函数如下：qn(g 曾JfM |lRjr|hL|% CcriiLEW.2CcJLiulf JuicL-sasNtcza;九 x. XLsra < >r331 IfU*Kr IvFaiM alii UJdhMad bc>Mdii|血IMiS ch-. ZKTHidlBiE*v fLiilil j A.WI1.4m 餡I.VKi, 1*4I.OM1.TQ1L«X4.IW1-44WMI -Ml备加P 4j<Ifli.lM；r利 .illH,OHrPjsiG.VXt.

7、aiaf 丹an r-i；.B DK*r -札他<.XflTJXU OK*i.4Ul . M3E.UI.M4L.IID.1EIfl.SHI1 -NME.fiM九诵-sifi.ni'fl-.irLJ OKriit'. Illh.u4l».wi.«4Ow-b应片i-ia-n-iiL4D/mliQMI MJl.mtiLIEW Hn4.b. s«li .白i>- wi .Aob . El>34 -II*M flCK4PnW璋1t.vn|aMf片lill“ EFFL341?. MML.CMIT-S*；>.!b.iil1； .MJG.V

8、X图5优化函数然后使用Zemax进行优化，优化后得到的参数表如下: 表2优化后的参数表得到的设计如下图所示:LRWLITC；'T'XT_OBT .二卜IXCCI JFIuURHTrLil J . UF 1图6物镜设计图其视场内的像差如下:Ffx.T-p<-.X；=iip-、討J-一Jp8P-3TF刊ue布E Fh,- f：hm PLijTTHU PEC工HU卜1.匚rl亠 Ar._ Po-E Is -0luu 匚1.C00 AJ.£Cl .ri -RmDLF.FFK E ；工卜IFtGE图7光线像差P -F- dfcJLpPs一=ter：EMTRRr rC E

9、FUFIL RBEFFHTTni THU DECi ISU io.kodISODrF'EFCEi.iT .-?0GirFF：ACE - Iflntt：图8光瞳处像差CS'T< T_OBT . - h I.COnPIGURFlTlLil J 1 UF 1LLi 口luE K-0 _ 口cl二LIL.snpp CEC & J.4QOT UEVh'Ai', I ,-rI:'l2-L- -丄一 r： C-0009 DEC-药EHBl丄珅1器lr即匸悴工肾二7?PATIF4L. FPEGUSC-Y III CVC LES PEP I1MPDL i C

10、HFOIIIHTIC DLFFP.RCTIUf J HTF-TW DEC 1U ZC'1.5DRTT4 FOP 0.400 TD 0.75CO ui.SHRF AC e: TMRtE：r；'0-'XT_O.二門 XC'r iFICUFRTIOr J 】.PF ).图9 MTF曲线目镜设计目镜的作用是将物镜所成的像放大后将其成像在人眼的远点进行观察。正常人的远点为无穷远，因此目镜的焦距为无穷远， 目镜的物方焦平面与物镜的像方焦平面重合。基于其使用目的和特性，具有以下特点：焦距在15mm-30mm范围内，太近或太远都不方便人眼观察。出瞳较小，一般在 2mm-4mm左

11、右，与人眼瞳孔大小相近；视场角一般在40 °左右。设计上一般遵循反向设计的原则，这样物平面为无穷远的光束，在有限距离的像面上成像， 并评价像质。否则需要在无穷远平面上进行评价和优化，难度很大。在望远镜和显微镜中， 目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜。对称式目镜是由两个结构对称的双透镜组成，对称结构使得加工较为方便。并且其相对出瞳距较大，在军用观察和瞄准仪器中应用很广，故设计采用对称式目镜。依据节中的方法在 Zemax中建立目镜的模型，并设置相关参数。注意对称的镜面其参数要采用Pick up的方法设置为前面镜面参数的 -1倍。同样地优化

12、参数中设定有效焦距为 60mm， 而且系统的出瞳距为 15mm，由于反向设计因此设定第一个第一个光学面的厚度为15mm。得到优化参数如 错误！未找到引用源。 所示。表3优化后目镜参数表:Type亡 arEnuentHadlusThickness lassSemi-DlanieterConicBJStandardIr.iir.ityIof z.nityInfinity .codSTOScandirdliRiinity15.0002 . COQ2Stan.dafd祕494V2.000VF31.6090.0003Standard32. M3VVH-K9Lo.aoo4Standaird169.a&am

13、p;5VOUODd(jr>bfea与StandardFODD9.02o.aoo6d-32,553P2.00DpF31C.537O.QDO1Stjandard-70 例P53.169V11.027Q QQOIMAStandAiniIniicity20.893O.OQQiLHYWTTHLr DEC IQ 页需TOTRL R：*.IRL LENGTH：88KM|二'丁 K T'三 i ECONPTCURFlTTDt 1.二卜 IX.】PF J.图10目镜设计图 优化后的像差如下图:THU PEC rtRzTMUHsn-L :PE=.ILrl亠 Ar._ 切口 E Is0E疔JT

14、FRlIfE尺EE PFl.- FRhl PLOT严muEUFF日匚E；工【1只征：图11目镜光线像差曲线iS'T'.<T_e l E ZZI 1.DOI IF工GURRT工匚IM 3. DF 1THU rlFtElUri G -旺心ZLD FHS ucF Is- 0-LrpFBCE '工图12光瞳处像差曲线P3F；FI JTRRr IT'E PlJFTL REEFFHTim rFEF'CEr IT ”C； . < T _ 已、宜.M E *cor IFIGUR-HTrOI 1 匚尸 1.LLjo Drr 止 口n-l J 口Q 二TL- J

15、U W 亦K"、”，、-、AJ', -.I I、LJL 1F聲料孝FJ,peGtniJ.W卿5戶冃T工垠，I'J C f cues REF： i iriFDL f CHF'PliHTIC P匚F：FRR匚TTPNITFTHLr DEC ID15口RTR PDF' U - H.0CI0 TO 0-7000 urn.Si rRFACE :工HFT-FC；丁 XT 三 JE 一 N 卜 IX. CCHPIGURFlTrLiM . uF j.图13目镜MTF曲线klRUEFRClMT FUN CT EONTHU DEC' ID 201.50一E&

16、;M 2 AT P-PD DE：D'FEFlf TO "F1LLEV ' 0 05> L 旧乍二 E 花: P.O 1.53rK.SUFPULE: piRCEE?JT PUPIL DIAMETERS fe.226E*000 HULU lETERSU丁人T三iW .二1 1亠CCHFICUFFlTIOrJ 】.PF ).图14波面像差曲线分析结果表明目镜系统的波像差达到了优于入/60的结果，说明设计十分理想。整体光学系统建模按照前面的光学设计参数，在Zemax中建立整个望远镜系统的模型，注意物镜和目镜的焦点应当重合，其模型参数如所示。表4望远镜系统参数Sur

17、63; tTypeCorms-ntRadiusThicknessGlassS«nl-DiameterLBJStandardsInfinityInfinityIrifLiiityDStanda rd14571五4 . DOOBK712526Si&ndatdi*1412854.000SFL12.534Standard-349.3701&3.4$312.S9OJStandard2-00011-&B05Stiindiird-32.553B.DOOH-K9L11.9266£Landa rdD.10D12.372RJtandazdB.DOOHKSL12.2916

18、standaxd32.5532,000f313.12SqStands tdlng15-00013.353丄XAStandardInfinity16»391其光学设计图如下:LkWLITriCJM PEC 1 H LPTOTtAL A；TAL LENGTH； 226-S83&U KUI pi I- 'i C'OI IF工GURFI亍工El"OF 1图15望远镜光学设计图 望远镜系统的像差如下图所示:J.-P><tecTFRI 広E花E FFU FHM FLUT叫匚iM DEC 14 ED】.5iT.fV、.工HUN SCAL.F t E)DO -000 m0 - = S0 LEI J 呂 '"卜EUF.F；冃 UE；工HHGECQHRluURAflQf'j 3. (jF J图16伽利略望远镜光