光学课程设计报告-望远镜系统-华科版

1、光学课程设计报告姓名：罗俊鹏学号：U201013534班级：光电1008一、课程设计要求3二、设计步骤31.外形尺寸计算32.选型53.物镜设计5（1）初始结构计算5i.求h、hz、J5ii.平板的像差5iii.物镜像差要求6n求P、W6n归一化处理6n选玻璃7n求Q7n求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径7n玻璃厚度8（2）像差容限计算8（3）像差校正9（4）物镜像差曲线114.目镜设计12（1）初始结构计算12i.确定接眼镜结构12ii.确定场镜结构14（2）像差容限计算15（3）像差校正16三、光瞳衔接19四、像差评价20五、总体评价20六、零件图、系统图20七、设计体会23八、参考资

2、料24一、 课程设计要求设计要求：双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像。1、望远镜的放大率6倍；2、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D30mm）；3、望远镜的视场角28°；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25mm。6、lz>810mm二、 设计步骤1. 外形尺寸计算物镜焦距出瞳直径目镜焦距分划板直径分划板半径ac b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

3、统。根据要求，可取。解得：等效平板厚度所以棱镜展开的实际厚度：取因此，等效空气平板厚度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。由物方视场，可得：目镜通光口径分划板半径又由：，可得：像方视场2. 选型物镜：，目镜：，查阅相关光学资料得，选择双胶合物镜和凯涅尔目镜。3. 物镜设计（1） 初始结构计算 i. 求h、hz、J入瞳半径第二近轴光线在入瞳的入射高度拉赫不变量ii. 平板的像差由条件：d=33.5 =64.1 u=0.125 uz=0.069

4、8radiii. 物镜像差要求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：n 求P、W由，（hz=0）得n 归一化处理又望远物镜物在无穷远，所以：（冕牌玻璃在前）n 选玻璃根据与的值查光学设计手册,可知BaK2-ZF2玻璃对在时，P0=0.2602，较为接近。选择BaK2-ZF2玻璃对。由光学仪器手册可查询到BaK2-ZF2玻璃对的详细信息：，n 求Q=-4.0479=-4.3691=-4.0432Q= (-4.0479 -4.0432)/2= -4.0456n 求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径n 玻璃厚度d为中心厚度，t为边缘厚度=1.5004= -2.0806=

5、 -0.6049凸透镜：=1.9258凸透镜最小中心厚度为=5.5068凹透镜：= 4.1806凹透镜最小中心厚度= 2.7049（2） 像差容限计算根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。令其小于或等于波长，即可得到边光球差的容限公式为：对边光校正好球差后，0.707带的光线具有最大的剩余球差。即时的带光球差容限为实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。固此时边光球差的容限为1倍焦深。即：类似与球差，其它像差容限为：位置色差：正弦差：弧矢彗差：（3） 像差校正上机进行像差校正之后，并参照光学器件设计手册，采用标准化半径之后参数得到的像差为1.初始参数物距 半视场角(

6、°) 入瞳半径 0 4 15 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面序号 半径 厚度 玻璃STO 81.8500 5.507 1 2 -53.0900 2.705 BAK2 3 -157.0400 56.000 ZF2 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 2.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0000 14.502 K9 定义了下列玻璃: BAK2 1.5399 1.546276 1.537226 ZF2 1.6725 1.687472 1.666602 K9 1.5163 1.52

7、1955 1.513895-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') 120.33661 14.50241 -118.72772 14.50241 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(?) 0.00000 -107.46478 8.41476 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 30.00000 30.40651 -0.31467 0.124652.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3

8、H 0H球差 -0.0357 -0.0694 -0.0704 -0.0470 -0.0195 0.0000弥散园 -0.0045 -0.0074 -0.0062 -0.0029 -0.0007 0.0000F光球差 0.0925 0.0157 -0.0177 -0.0286 -0.0220 -0.0139C光球差 -0.0168 -0.0347 -0.0240 0.0119 0.0470 0.0707轴向色差 0.1092 0.0505 0.0063 -0.0405 -0.0690 -0.0846*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts

9、' 1 0.0000 -107.3986 -8.4093 -0.8494 -0.4218 -0.4276 .85 0.0000 -107.4170 -7.1492 -0.6151 -0.3052 -0.3098 .7071 0.0000 -107.4317 -5.9482 -0.4264 -0.2115 -0.2149 .5 0.0000 -107.4483 -4.2067 -0.2136 -0.1059 -0.1077 .3 0.0000 -107.4589 -2.5243 -0.0770 -0.0381 -0.0389（4） 物镜像差曲线4. 目镜设计（1） 初始结构计算目镜为放大

10、系统，需反向设计i. 确定接眼镜结构接眼镜的焦距接眼镜的初级像差满足：联立以上三式,得：，取，可得：代入，的方程，可解得： 带入数据，得：又：所以：可知：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）：ii. 确定场镜结构 由接眼镜成像规律，目镜出瞳与其经接眼镜成的像满足： 由上文知，解得：场镜与接眼镜距离取18mm，则：考虑到接眼镜的厚度以及场镜的主面，应取物镜像平面与场镜平面应满足，取，则：由光瞳的衔接知，物镜经过场镜成的像与目镜出瞳经过接眼镜成的像重合，所以：解得场镜焦距：又由光焦度与透镜曲率半径的关系：其中：解得：（2） 像差容限计算查询光学设计手册可得相关的像差容限

11、公式如下：5%7%12%表中为目镜焦距考虑到视场边缘有50%的渐晕，子午彗差的容限为上表数据的2倍。由于渐晕的存在，子午彗差只需考虑相对视场与相对孔径的乘积小于等于0.5的情况。实际像差容限如下：相对视场0.3、0.50.707、0.85、10.0140.0140.81.60.81.65%7%0.020.03（3） 像差校正-输入数据-1.初始参数物距 半视场角(°) 入瞳半径 0 22.725 2.5 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 5 3 -10 1 -1理想面焦距 理想面距离0 0面序号 半径 厚度 玻璃STO 33.0400 1.500 1 2 8.5510

12、4.500 F4 3 -20.0300 17.310 ZK3 4 17.2190 4.500 1 5 0.0000 1.079 K9 定义了下列玻璃: F4 1.6199 1.632096 1.615036 ZK3 1.5891 1.595862 1.586242 K9 1.5163 1.521955 1.513895-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') 20.49332 1.07860 -6.46899 1.07860 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(?) -10.000

13、00 120.01797 8.58305 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 -29.01906 -0.31412 0.121992.像差*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 -10.0000 59.4325 -8.3879 -0.0168 -1.4563 1.4395 .85 -10.0000 69.0623 -7.1406 -0.4655 -1.0705 0.6050 .7071 -10.0000 79.3477 -5.9664 -

14、0.4190 -0.7457 0.3267 .5 -10.0000 95.4241 -4.2505 -0.2293 -0.3743 0.1449 .3 -10.0000 109.7902 -2.5654 -0.0837 -0.1350 0.0512 1 0.1952 0.1847 0.1950 -0.0102 9.8370 -0.3001 .85 0.1550 0.1580 0.1506 0.0074 0.7356 -0.3309 .7071 0.1026 0.1107 0.0970 0.0136 -0.0565 -0.3395 .5 0.0410 0.0500 0.0359 0.0142 -

15、0.2854 -0.3414 .3 0.0095 0.0159 0.0060 0.0099 -0.3290 -0.3403 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 -1.2194 -0.1726 -0.0182 -0.0144 -0.0056 -0.0008 .85 -0.1171 -0.0324 -0.0035 0.0033 0.0022 0.0005 .7071 -0.0149 -0.0013 0.0004 0.0077 0.0040 0.0007 .5 0.0140 0.0081 0.

16、0016 0.0074 0.0037 0.0007 .3 0.0127 0.0066 0.0012 0.0048 0.0024 0.0004三、 光瞳衔接根据物镜、目镜像差校正后的高斯参数可知：物镜像距：物镜出瞳距：目镜像距：目镜出瞳距：如上图，为了保证光瞳的衔接，必须满足：满足光瞳衔接要求。四、 像差评价对于物镜，、均满足各自像差容限。0.707孔径处基本为零，保证了全孔径及零孔径处轴向色差绝对值基本相等。总体来看物镜成像质量较为理想。对于目镜、均在像差容限以内，很好的满足了设计要求。在0.3口径全视场处超出像差0.004，其余良好满足像差容限。总体看来系统成像情况比较良好，基本满足了设计要

17、求。五、 总体评价根据设计要求，双筒棱镜望远镜需满足的技术指标有：1、望远镜的放大率6倍；2、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D30mm）；3、望远镜的视场角28°；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25mm。6、lz >810mm最终的各项技术指标均满足要求，具体如下：1、 望远镜的放大率5.80倍；出瞳直径D=5.17mm；2、 物镜的相对孔径D/f0.2493；3、 望远镜的视场角28°；4、 考虑棱镜的折叠，系统总长只有103.45mm，考虑到最终装

18、配，实际总长约为110mm；5、 棱镜最后一面到分划板的距离14.50mm，两棱镜间隔为2mm。6、 出瞳距离lz =9.98mm；六、 零件图、系统图系统图物镜零件图表 面 处 理全部对玻璃的要求3C3C均匀性34应力消除程度3光的吸收度1C杂纹消除程度5D气泡程度对零件的要求N=3N=0.5R=BP=C=0.05120.3430标记数量文件号签字日期设计物镜第二透镜棱核图样标记重量比例审查2：1工艺检查标准检查玻璃BaK2-ZF2共 1 张第 1 张审定批准七、 设计体会对于光学课程设计这门课程，我的学习经历了从完全不懂一知半解 有了自己的理解的过程。在经历这个变化的过程中我感觉是相当的痛

19、苦的，不过在痛苦中才能最大程度地激发人的潜力。有付出才有回报。前几次上课的时候，对于我这个应用光学基本上就没怎么学懂的人来说，感觉就是不断机械地抄写老师的板书。因为应用光学实在是不记得什么内容了。直到第一次上机之前，我才认真学习了光学设计的报告手册，并且按照老师给的公式和方法计算了像差、归一化条件，并且选择了物镜玻璃。这里不得不说一下，我的物镜玻璃选择是比较失败的， 相差了近0.7左右。这个确实是当时选择的时候比较失误，只能说选择的时候不够耐心，没有认真选择。这也直接导致了我之后校正物镜像差的时候比较困难，像差比较大，不过好在物镜需要校正的像差比较少，最后还是完成了校正。然后真正的挑战从目镜才

20、刚刚开始，目镜的计算复杂，关键是需要校正的像差也更多。尤其是子午慧差KT非常难以校正，校正KT基本上占据了我90%以上的上机时间。并且在规定的上机时间中，我并没有完成目镜像差的校正。在之后的时间我在寝室上对目镜的KT进行反复多次的校正。最后我总结出来的经验目镜应该尽量少用自动校正，应该手动采用最小二乘法的方法，选择一个变量之后然后逐步逼近调整。并且选择难校正的变量，例如目镜中的KT。采用逐个变量逐步逼近的方法，这样校正效率最高，也不至于做无用功。还有就是自动校正物镜时，其实可以把光焦度作为一个校正目标，因为球差比较容易校正在目标之内，调好焦距之后一般就不需要校正球差了，个人觉得这样也是一种方法。不过不知道是否合理与正规。这里必须评价一下TCOS这个软件，其实作为一个如此小型的软件，它的功能还是实用和强大的。但是这里不得不说的就是这个软件的自动优化比较容易使软件死机，这不是什么大问题。关键是可能由于年代久远的原因，TCOS对Win7几乎不兼容。在爱好电脑的同学的帮助下，我才成功的在电