双筒菱镜望远镜设计重点讲义

1、课 程 设 计 报 告（20142015年度 第 2 学期） 题 目：双筒棱镜望远镜设计 院 系：物理与电子信息工程学院 姓 名： 徐乐 学 号：013301254141 专 业：光源与照明 指导老师：何武光 2015年 6 月 12 日一、设计任务及要求设计任务：双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）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7倍；2、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D35mm）；3、望远镜的视场角28°；4、仪器总长度在120mm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

2、镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为25mm。6、lz=810mm2015年3月 28 日 二、指导教师评语 指导教师签名： 年 月 日 三、成 绩 年 月 日 目录1、 设计任务2、 外形尺寸计算3、 像差容限计算和选型4、 P、W法计算初始结构5、 像差像差数据和曲线6、 像质评价和光瞳衔接7、 学习体会8、 光学零件图和系统图一、设计任务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7倍；2、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D35mm）；3、望远镜的视场角28°；4、仪器总长度在120mm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

3、>14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为25mm。6、lz >810mm二、外形尺寸计算已知望远镜为参数：7 ，D/f1：4，D35mm，28°，L=120mm视场边缘允许50%的渐晕；棱镜最后一面到分划板的距离>14mm1求，2求出瞳 =5mm3求视场4. 求 5 计算棱镜由棱镜几何关系知K=L/D=2该望远系统采用普罗I型棱镜转像，将普罗I型展开，等效为两块平板，如下图：设棱镜高h，则mmD=2h=19.3715mm L=2D=38.74mm取L=39mm因此，等效空气平板厚度6. 计算目镜到棱镜距离设物镜与棱镜的距离为d,则d需满足mm实际物镜到第一个棱镜前

4、表面的距离d 满足：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。其中为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取 求得极限距离为65.6mm，小于此距离时候棱镜档光，实际68是可以的。设计满足实际棱镜通光口径的限制。7. 求目镜口径8、 设计结构 总尺寸三、相差容限计算和选型1. 象差容限（1）物镜像差容限球差10H球差容限0.707H球差容限正弦差色差在0.5OH接近0（2） 目镜像差容限目镜需要校正的有正慧差、像散、场曲、畸变、倍率色差2. 选型（1）物镜选型望远镜物镜视场较小，需要校正球差、色差和正弦差等轴上色差。根据物镜特点和要求选择：双胶合物镜。双胶合物镜结构简单，制造

5、装配方便，光能损失小，玻璃选择得当，可以同时校正球差、色差和正弦差，适用于小孔径的使用场合，视场角小于。对于有棱镜转向系统的望远镜，采用物镜和棱镜互补的方案校正像差。（2）目镜选型目镜特点：小孔径，大视场，短焦距，光阑远离透镜组的光学系统，轴上像差较小，轴外色差难校正。根据目镜特点和设计要求选择：凯涅尔目镜。凯涅尔目镜特点:增加一个胶合面用来校正倍率色差，同时把场镜和接远目镜的间隔进一步减小，结构减小，场曲减小。成像质量优于冉斯登目镜，视场大于冉斯登目镜，视场约为到之间。四、P、W法计算初始结构1、物镜计算（1）选取双胶合物镜1、求由设计条件，有D=35mm，h=17.5mm,hZ=0,J=n

6、uy=1.2237,其中（2）计算平板象差u=0.125，uZ=-0.0698，,(2) 物镜象差由物镜和棱镜互补得；求求P、W求、求求取冕牌在前，则根据与的值查光学设计手册，可知ZF5-K3玻璃对在时，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选ZF5-K3玻璃对。根据光学手册关于ZF5-K3玻璃对的详细信息：，求形状系数因，取下式的值，得：求归一化条件下透镜各面的曲率求薄透镜各面的球面半径求厚透镜各面的球面半径光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。为了使透镜在加工过程中不易变形，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：对凸透镜：高精度 中精度 其中还必须满足对凹透镜：高精

7、度 且中精度 且式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。求各个折射面的矢高： 当代入数据得：凸透镜的边缘最小厚度的计算：=2.156564mm凹透镜的边缘最小厚度的计算：=5.305809求第一块透镜的中心厚度：求第二块透镜的中心厚度：=7.076692mm2、目镜计算（1）选取凯涅耳物镜出瞳，（2）求结构参数接目镜由物镜出瞳与目镜入瞳相对于物镜成共轭关系可得，其中d取18mm，可取又由光焦度与透镜曲率半径的关系：其中：解得：由于场镜对像差没有影响，固接眼镜的初级像差满足：又：联立以上三式,得：由设计要求： ，取，可得：代入，的方程，可解得： 又满足：带入数据，得：又：所以：查找光学设计手册，可知：

8、玻璃对满足要求。由此可得各曲率半径及厚度（计算方法及公式同物镜）：5、 像差数据和曲线(1) 、物镜像差数据1.初始参数物距 半视场角(°) 入瞳半径 0 4 17.5系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 7 3 0 1 -1理想面焦距 理想面距离0 0 -计算结果-1.高斯参数有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')140.1741 14.37867 -118.81267 14.37867入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(_)0.00000 -106.85559 8.39243 0.

9、00000入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U')30.00000 30.30417 -0.31467 0.124982. 像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 -0.0331 -0.0619 -0.0624 -0.0415 -0.0172 0.0000弥散圆 -0.0042 -0.0066 -0.0055 -0.0026 -0.0006 0.0000F光球差 0.0859 0.0170 -0.0138 -0.0251 -0.0204 -0.0140C光球差 -0.0115 -0.0256 -0.0150

10、 0.0176 0.0492 0.0703轴向色差 0.0974 0.0426 0.0012 -0.0427 -0.0696 -0.0843*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 0.0000 -106.7882 -8.3871 -0.8556 -0.4234 -0.4322 .85 0.0000 -106.8069 -7.1303 -0.6195 -0.3064 -0.3131 .7071 0.0000 -106.8219 -5.9324 -0.4295 -0.2123 -0.2172 .5 0.0000 -106.8

11、388 -4.1956 -0.2152 -0.1063 -0.1089 .3 0.0000 -106.8496 -2.5176 -0.0776 -0.0383 -0.0393 1 0.0053 0.0169 0.0002 0.0167 -0.0340 -0.0355 .85 0.0033 0.0131 -0.0010 0.0142 -0.0337 -0.0348 .7071 0.0019 0.0101 -0.0017 0.0118 -0.0335 -0.0343 .5 0.0007 0.0065 -0.0019 0.0083 -0.0333 -0.0337 .3 0.0001 0.0036 -

12、0.0014 0.0050 -0.0332 -0.0333 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 0.0541 0.0235 0.0038 0.0167 0.0076 0.0013 .85 0.0461 0.0201 0.0032 0.0141 0.0065 0.0011 .7071 0.0384 0.0167 0.0027 0.0117 0.0054 0.0009 .5 0.0272 0.0119 0.0019 0.0082 0.0038 0.0006 .3 0.0163 0.0071

13、0.0011 0.0049 0.0023 0.0004*高级像差* -0.04588 -0.00084 -0.00351 0.00014 -0.00169 -0.00055 0.18168 0.00000*垂轴像差* 没有考虑实际渐晕系数 （即认为渐晕系数都为 1）-子午垂轴像差（） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.05921 -0.06299 -0.05881 -0.04576 -0.02927 0.00000 .85 -0.03692 -0.04264 -0.04096 -0.03235 -0.02083 0.00000 .70

14、71 -0.02032 -0.02718 -0.02721 -0.02185 -0.01415 0.00000 .5 -0.00424 -0.01154 -0.01288 -0.01059 -0.00684 0.00000 .3 0.00234 -0.00401 -0.00533 -0.00414 -0.00241 0.00000 0 -0.00418 -0.00663 -0.00555 -0.00260 -0.00065 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 0.16742 0.13536 0.10590 0.06772 0.0368

15、4 0.00000 .85 0.12909 0.10431 0.08109 0.05107 0.02728 0.00000 .7071 0.09712 0.07857 0.06066 0.03747 0.01953 0.00000 .5 0.05865 0.04796 0.03659 0.02166 0.01065 0.00000 .3 0.03033 0.02589 0.01958 0.01080 0.00471 0.00000 0 0.00418 0.00663 0.00555 0.00260 0.00065 0.00000-子午光线对弥散圆直径 ±1.0H ±0.85

16、H ±0.7071H ±0.5H ±0.3H ±0H 1 0.22663 0.19835 0.16471 0.11348 0.06611 0.00000 .85 0.16602 0.14695 0.12205 0.08342 0.04811 0.00000 .7071 0.11744 0.10575 0.08786 0.05932 0.03368 0.00000 .5 0.06289 0.05949 0.04947 0.03226 0.01748 0.00000 .3 0.02799 0.02989 0.02491 0.01494 0.00712 0.0

17、0000 0 0.00837 0.01325 0.01110 0.00521 0.00129 0.00000-弧矢垂轴像差分量（ ） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 1 0.01667 -0.05818 0.01148 -0.05234 0.00765 -0.04344 0.00367 -0.02929 0.00129 -0.01661 .85 0.01410 -0.04321 0.00971 -0.03966 0.00647 -0.03293 0.00310 -0.02189 0.00109 -0.01219 .7071 0.01169 -0.03119 0.008

18、04 -0.02949 0.00536 -0.02451 0.00257 -0.01595 0.00090 -0.00863 .5 0.00823 -0.01769 0.00566 -0.01806 0.00377 -0.01503 0.00181 -0.00928 0.00063 -0.00464 .3 0.00492 -0.00905 0.00339 -0.01074 0.00226 -0.00896 0.00108 -0.00501 0.00038 -0.00208 0 0.00000 -0.00418 0.00000 -0.00663 0.00000 -0.00555 0.00000

19、-0.00260 0.00000 -0.00065（2） 、目镜像差数据和曲线像差数据：1.初始参数物距 半视场角(°) 入瞳半径 0 22.75 2.5 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 5 3 -10 0.5 -0.5理想面焦距 理想面距离 0 0 -计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 19.62158 2.49478 -6.74243 2.49478 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(_) -10.00000 120.68283 8.22801

20、0.00000入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 5.00000 -30.11686 -0.31450 0.127412.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 -0.3095 -0.2225 -0.1534 -0.0764 -0.0274 0.0000弥散园 -0.0397 -0.0242 -0.0139 -0.0049 -0.0010 0.0000F光球差 -0.3129 -0.2268 -0.1583 -0.0820 -0.0335 -0.0063C光球差 -0.2975 -0.2102 -0.

21、1409 -0.0636 -0.0146 0.0129轴向色差 ' -0.0154 -0.0165 -0.0174 -0.0183 -0.0189 -0.0192*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 -10.0000 57.2223 -7.9847 0.3537 -1.1561 1.5098 .85 -10.0000 67.2066 -6.8146 0.0724 -0.8395 0.9119 .7071 -10.0000 77.8940 -5.7024 -0.0122 -0.5839 0.5717 .5 -10

22、.0000 94.6861 -4.0684 -0.0289 -0.2940 0.2650 .3 -10.0000 109.8206 -2.4579 -0.0142 -0.1064 0.0922 1 0.2433 0.2470 0.2377 0.0093 0.3847 -0.3082 .85 0.1792 0.1882 0.1724 0.0158 -0.0522 -0.3116 .7071 0.1157 0.1264 0.1089 0.0175 -0.2038 -0.3120 .5 0.0456 0.0554 0.0400 0.0153 -0.2802 -0.3112 .3 0.0105 0.0

23、171 0.0069 0.0102 -0.3024 -0.3102 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 -0.0931 -0.0355 -0.0051 0.0011 0.0008 0.0002 .85 -0.0212 -0.0066 -0.0007 0.0061 0.0031 0.0006 .7071 0.0039 0.0035 0.0008 0.0071 0.0035 0.0006 .5 0.0129 0.0068 0.0013 0.0060 0.0029 0.0005 .3 0.01

24、01 0.0051 0.0009 0.0038 0.0019 0.0003*高级像差* 0.00137 0.69418 0.01111 0.06979 -0.18903 -0.00584 0.00380 0.01092-子午垂轴像差（） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.01314 -0.00322 0.00299 0.00734 0.00722 0.00000 .85 -0.01891 -0.00971 -0.00396 0.00040 0.00149 0.00000 .7071 -0.02178 -0.01233 -0.00641

25、 -0.00182 -0.00030 0.00000 .5 -0.02545 -0.01475 -0.00799 -0.00264 -0.00074 0.00000 .3 -0.03003 -0.01759 -0.00958 -0.00305 -0.00063 0.00000 0 -0.03971 -0.02422 -0.01387 -0.00487 -0.00105 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 -0.17315 -0.11263 -0.07392 -0.03814 -0.01733 0.00000 .85 -0.02352

26、-0.01432 -0.00932 -0.00532 -0.00289 0.00000 .7071 0.02964 0.02060 0.01346 0.00603 0.00196 0.00000 .5 0.05122 0.03397 0.02159 0.00960 0.00328 0.00000 .3 0.05027 0.03230 0.01980 0.00818 0.00248 0.00000 0 0.03971 0.02422 0.01387 0.00487 0.00105 0.00000-子午光线对弥散圆直径 ±1.0H ±0.85H ±0.7071H &#

27、177;0.5H ±0.3H ±0H 1 0.16001 0.10941 0.07691 0.04548 0.02454 0.00000 .85 0.00461 0.00460 0.00536 0.00572 0.00439 0.00000 .7071 0.05142 0.03293 0.01987 0.00785 0.00227 0.00000 .5 0.07667 0.04873 0.02958 0.01224 0.00401 0.00000 .3 0.08030 0.04990 0.02938 0.01123 0.00311 0.00000 0 0.07943 0.0

28、4844 0.02774 0.00975 0.00210 0.00000-弧矢垂轴像差分量（ ） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3 1 0.00115 -0.17574 0.00102 -0.14052 0.00080 -0.11103 0.00045 -0.07387 0.00017 -0.04255 .85 0.00609 -0.14122 0.00443 -0.11082 0.00307 -0.08610 0.00154 -0.05608 0.00056 -0.03182 .7071 0.00712 -0.11163 0.00510 -0.08550 0.00351

29、 -0.06493 0.00174 -0.04103 0.00062 -0.02276 .5 0.00600 -0.07659 0.00428 -0.05560 0.00293 -0.03999 0.00145 -0.02336 0.00052 -0.01214 .3 0.00382 -0.05320 0.00271 -0.03569 0.00185 -0.02341 0.00091 -0.01162 0.00033 -0.00510 0 0.00000 -0.03971 0.00000 -0.02422 0.00000 -0.01387 0.00000 -0.00487 0.00000 -0.001056、 像质评价和光瞳衔接像质评价：调试中对物镜的球差、正弦差和倍率色差等轴上色差进行了校正。三种像差均调到了所要求的像差容限之内，球差在1OH为0.0331，小于0.0377；轴向色差在1OH和0OH之和接近0，在0.5OH接近0；弧矢慧差为0.0167，也在容限范围之内。物镜焦距为140.72m