光学课程设计--双筒棱镜望远镜设计

1、光学课程设计 1 光路设计 课程设计报告题 目： 双筒棱镜望远镜设计 院 （系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 光电 1202 班 学生姓名： 学 号： 20101182117 指导教师： 20 14 年 12 月 29 日至 20 15 年 1 月 9 日目录光学课程设计 2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.71、用 PW 法计算双胶合物镜初始结构：.7（1）求，.7hzhJ（2）求平板像差.7（3）求物镜像差.7（）计算，.8（）归一化处理.8（）选玻璃.8（）求形状系数.9（）求归一化条件下透镜各面的曲率.9（）求薄透镜各面的球

2、面半径.9（）求厚透镜各面的球面半径.92、物镜像差容限的计算.103、物镜像差校正.114、物镜像差曲线.13四、目镜的设计.141、用 PW 法计算凯涅尔目镜初始结构.14（）接目镜的相关参数计算.14（2）场镜的相关参数计算.152、目镜像差容限的计算.163、目镜像差校正.174、目镜像差曲线.20五、光瞳衔接与像质评价.201、光瞳衔接.202、像质评价.213、总体设计评价.21学习体会 .22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：光学课程设计 31、望远镜的放大率 6 倍；2、物镜的相对孔径 D/f1：4

3、（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光学课程设计 4设计步骤一、外形尺寸计算由入瞳直径及相对孔径，可得：30Dmm1:4Df物镜焦距14120fDmm由，知：6 出瞳直径5DDmm目镜焦距12120206ffmm由物方视场，可得：2目镜通光口径312() 222.084DDff tgmm分划板直径21216.7824Df tgmm分划板半径28.39122D又由：，可得：64tgtgtg 像方视场245.

4、5 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：普罗 I 型棱镜光学课程设计 5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：7.51208.39127.5120ha其中为第二块平板的后表面到a分划板的距离，根据要求，可取。14amm解得：8.287hmm由此可得：等效平板厚度216.574Dhmm所以棱镜展开的实际厚度：33.148LKDmm考

5、虑到棱镜的装配，取33.5Lmm因此，等效空气平板厚度33.522.11.5163Ldmmn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） ，则物镜到第一个棱镜前表面的最小距离必须满足：8.3912h7.5120棱镜展开图光学课程设计 6_11/ 2fchDf其中为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。_c代入数据，得：_8.28712015120c解得：_53.7cmm因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离 c 满足：120259.8cabdmm其中为普罗 I 型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取b2bmm由知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。_cc二、光

6、学系统选型根据设计技术要求与外形尺寸计算结果：物镜：，/1:4Df 28120fmm目镜：，20fmm245.55Dmm8 10zlmm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。10焦距/mmf

7、501001502003005001000相对孔径/Df1:31:51:41:51:61:81:10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。表 1 望远物镜通用的相对孔径光学课程设计 7凯涅尔目镜的光学性能是：视场，相对镜目距。240 50/1/ 2pf 三、物镜的设计1、用 PW 法计算双胶合物镜初始结构：（1）求，hzhJ入瞳半径152Dhmm第二近轴光线在入瞳

8、的入射高度0zh 拉赫不变量1518.39121.0489120Jnuynu y （2）求平板像差24310.006096IPnSdun 0.003404zIIPIPuSSu2210.003667IPd nCun 其中：33.5 267dmm1.5163n 150.125120u 4180zu（3）求物镜像差图 2 凯涅尔目镜的光学结构图 1 双胶合物镜的光学结构光学课程设计 8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零：0.006096IIPSS 0.003404IIIIPSS 0.003667IIPCC （）计算，由，IShPIIzSh PJWJW得，0.000406

9、4ISPh0.0032453IISWJ （）归一化处理_30.20808PPh_20.2077WWh _20.001956ICCh又望远物镜物在无穷远，所以：_PP_WW可得：（冕牌玻璃在前）2_00.850.10.19822PPW（火石玻璃在前）2_00.850.20.20803PPW（）选玻璃根据与的值查光学设计手册，可知 F4-K3 玻璃对在时，_0.001956C 0P_0.002C ，与计算结果相当接近，因此双胶合物镜选 F4-K3 玻璃对。00.217434P 根据光学手册关于 F4-K3 玻璃对的详细信息：，00.217434P 05.087553Q 00.224789W ，11

10、.112774 2.434539A 1.717269K 光学课程设计 9，11.6199n 21.5046n （）求形状系数_00PPQQA_00WWQQK因，取下式的值，得：_P0P5.0925Q （）求归一化条件下透镜各面的曲率11112.18471nQn213.9797Q2132210.207311nQnn （）求薄透镜各面的球面半径11154.93frmm12232.15frmm133578.9frmm （）求厚透镜各面的球面半径物镜外径的确定。根据设计要求：。物镜用压圈固定，其所需余量由光学设计手册查得为30Dmm2mm，由此可得物镜的外径为 32mm。光学零件的中心厚度及边缘最小厚

11、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 37dtD中精度 614dtD其中还必须满足0.05dD对凹透镜：高精度 且82dtD0.05dD中精度 且164dtD0.03dD式中，d 为中心厚度，t 为边缘厚度。光学课程设计 10根据上面公式，取高精度可求出凸透镜和凹透镜的厚度。凸透镜：23310Dxxt式中、为球面矢高，可由下式求得：2x3x222Dxrr式中人为折射球面半径，D 为透镜外径。凸透镜最小中心厚度为112dxtx 同理可得：凹透镜：21810Dxxt凹透镜最小中心厚度112dtxx 代入物镜的相关

12、参数，可得，12.6dmm26.0dmm2、物镜像差容限的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，14即可得到边光球差的容限公式为： 24mmLnu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0mL容限为0.707 260.2262mLmmnu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： 20.0377mmLmmnu类似与球差，其它像差容限为：位置色差： 20.0377FCmLmmnu正弦差：0.0025SC 弧矢彗差：0.02SKSC ymm厚透镜中心厚度图1x2x3x1d2d

13、tD光学课程设计 113、物镜像差校正考虑到价格问题，我在进行像差校正时透镜半径全部选用了价格最便宜，使用最多的250 系列标准半径，并且很好的校正了像差。最终的结果如下：-输入数据-1.初始参数物距 半视场角() 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 60.2600 1.500 1 2 32.2100 8.000 F4 3 -304.8000 54.000 K3 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 2.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0

14、000 14.546 K9 定义了下列玻璃: K3 1.504558 1.510019 1.502222 K9 1.5163 1.521955 1.513895 F4 1.6199 1.632096 1.615036光学课程设计 12-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) 120.18450 14.54584 -119.33743 14.54584 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率() 0.00000 -106.49164 8.40412 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

15、.00000 30.21292 -0.31467 0.124812.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 -0.0127 -0.0695 -0.0784 -0.0548 -0.0231 0.0000L弥散园 -0.0016 -0.0074 -0.0069 -0.0034 -0.0009 0.0000RLF光球差 0.1049 0.0089 -0.0290 -0.0356 -0.0220 -0.0087FLC光球差 0.0170 -0.0258 -0.0244 0.0100 0.0483 0.0749CL轴向色差 0.0879 0.0347 -0.00

16、46 -0.0456 -0.0703 -0.0836FCL*D光各视场像差*相对视场 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H 1 -0.0154 -0.0021 0.0002 -0.0017 0.0001 0.0001 0.85 -0.0130 -0.0018 0.0002 -0.0015 0.0000 0.0001 0.7071 -0.0107 -0.0014 0.0002 -0.0013 0.0000 0.0001光学课程设计 13 0.5 -0.0075 -0.0010 0.0001 -0.0010 0.0000 0.0001 0.3 -0.004

17、5 -0.0006 0.0001 -0.0006 0.0000 0.00004、物镜像差曲线光学课程设计 14四、目镜的设计1、用 PW 法计算凯涅尔目镜初始结构目镜为放大系统，需反向设计。（）接目镜的相关参数计算根据经验，可知：接眼镜的焦距2121.224ffmm由于场镜对像差没有影响，固接眼镜的初级像差满足：_0IIzSh PJW_2220IIIZzShPJh WJ又：2_00.850.15PPW联立以上三式,得：_00.4zhP_02.6WP 由设计要求： ，取，可得：8 10zlmm10zlmm _210.415zzllf _0.415zzzhl u代入，的方程，可解得：_zh_W 0

18、0.929P _2.5243W 又满足：Q_001.67WWQQ带入数据，得：2.6164Q 又：_0IIzCh hC光学课程设计 15所以：0IC 查找光学设计手册，可知：玻璃对满足要求。56ZFZK由此可得各曲率半径及厚度（计算方法及公式同物镜）：158.09rmm214.29rmm316.19rmm 11.5dmm24.5dmm（2）场镜的相关参数计算由接眼镜成像规律，目镜出瞳与其经接眼镜成的像满足： 1121111ZZllf由上文知，解得：110Zlmm 2121.224ffmm117.2Zlmm 场镜与接眼镜距离取 18mm，则：2135.2ZZlldmm 1zl1zld2zlfl光

19、学课程设计 16考虑到接眼镜的厚度以及场镜的主面，应取2Zl42mm物镜像平面与场镜平面应满足，取，则：2flmm5flmm2125Zlmm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：2222111ZZllf解得场镜焦距：2231.4fmm又由光焦度与透镜曲率半径的关系：451n 其中：221f 1.5163n 50解得：44116.21rmm2、目镜像差容限的计算查询光学设计手册可得相关的像差容限公式如下：23030 6060TK1.5sinnu1.5sinnu1.5sinnutsx2221000f2241000f2261000f,tsxx2221000f2241

20、000f2261000fzzzYYY5%7%12%FCY20.001f20.0015f20.003f表中为目镜焦距2f光学课程设计 17目镜实际像差容限：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。TK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。TK实际像差容限如下：相对视场0.3、0.50.707、0.85、1TK0.0140.014tsx0.81.6,tsxx0.81.6zzzYYY5%7%FCY0.020.033、目镜像差校正-输入数据-1.初始参数物距 半视场角() 入瞳半径 0 22.75 2.5 系统面数 色光数 实际入

21、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面序号 半径 厚度 玻璃光学课程设计 18STO 33.7300 1.500 1 2 13.0620 4.500 ZF5 3 -20.5100 15.300 ZK6 4 16.2930 4.500 1 5 0.0000 3.405 K9 定义了下列玻璃: K9 1.5163 1.521955 1.513895 ZF5 1.7398 1.758714 1.732434 ZK6 1.6126 1.619999 1.609499-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) 19.6

22、3229 3.40469 -6.80133 3.40469 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率() -10.00000 123.90078 8.23250 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 -30.68825 -0.31450 0.127342.像差*D光各视场像差*光学课程设计 19相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts 1 -10.0000 55.7824 -7.9408 0.4033 -1.0487 1.4520 0.85 -10.0000 66.2474 -6.7905 0.2089

23、-0.7540 0.9629 0.7071 -10.0000 77.5490 -5.6899 0.1119 -0.5218 0.6338 0.5 -10.0000 95.5197 -4.0652 0.0418 -0.2620 0.3038 0.3 -10.0000 111.9562 -2.4581 0.0123 -0.0948 0.1071 zYzY FzY CyFCTLSL 1 0.2917 0.3039 0.2830 0.0209 -0.0299 -0.3101 0.85 0.2071 0.2220 0.1982 0.0238 -0.1898 -0.3069 0.7071 0.1313 0

24、.1462 0.1230 0.0232 -0.2516 -0.3043 0.5 0.0510 0.0634 0.0445 0.0188 -0.2851 -0.3013 0.3 0.0116 0.0197 0.0075 0.0122 -0.2953 -0.2996 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H 1 -0.0222 -0.0072 -0.0008 0.0076 0.0037 0.0007 0.85 0.0044 0.0037 0.0009 0.0082 0.0040 0.0007 0.7071 0.0128 0.0070 0.0013 0.0075

25、 0.0036 0.0006 0.5 0.0134 0.0068 0.0012 0.0055 0.0027 0.0005 0.3 0.0090 0.0045 0.0008 0.0033 0.0016 0.0003光学课程设计 204、目镜像差曲线五、光瞳衔接与像质评价1、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：114.55lmm物镜出瞳距：1106.49Zlmm 目镜像距：23.40lmm目镜出瞳距：2123.90Zlmm如上图，为了保证光瞳的衔接，必须满足：121210ZZllllmm代入数据，知：12120.5410ZZllllmmmm满足光瞳衔接要求。光学课程设计 21

26、2、像质评价对于物镜，全孔径球差仅为 -0.0127 满足像差容限 0.0377 的要求，0.707 孔径球差为-0.0784 亦小于 6 倍焦深。位置色差由于宽度较大，无法满足全孔径及零孔径处均在容限0.0377 内，但 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。而弧矢彗差则全在像差容限内，保证了成像质量。总之，物镜成像质量是较为理想的。对于目镜，场曲、像散、子午彗差、倍率色差均在像差容限内，很好的满足了设计要求。目镜成像质量很好。3、总体设计评价由系统图可知，场镜与普罗 I 型棱镜有一部分因可能重叠而无法满足装配要求，因此要考虑场镜的孔径是否在限度以内。由场

27、镜与普罗 I 型棱镜第一块棱镜的相对位置可知，场镜的最大半径为（L 为棱镜展开后的厚度） ，由 TCOS220.8511.2644LLmm软件计算得场镜的实际半径为 9.4mm，因此满足装配要求。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 6.

28、12 倍；出瞳直径 D=4.9mm；2、 物镜的相对孔径 D/f0.2496；3、 望远镜的视场角 28；4、 考虑棱镜的折叠，系统总长只有 105.25mm，考虑到最终装配，实际总长约为110mm；5、 棱镜最后一面到分划板的距离14.55mm，两棱镜间隔为 2mm。6、 出瞳距离 lz =9.98mm；光学课程设计 22学习体会刚开始接触光学课程设计时，感觉这是一门很有挑战性的课程，特别是对于我们这些只会使用望远镜而从没想过要怎样设计的人来说，更是觉得自己在几周内设计一个望远镜是不可能的事。随着老师的逐步讲解，我对望远镜的设计有了进一步的了解，特别是对设计的流程有了更深的体会。但是，直至写

29、报告之时，我才发现真正要把设计思路，设计过程，每一个式子，每一个数据是怎样得到的清清楚楚的写下来，还是困难重重的。原因很简单，就是在老师讲解时，我只是有个感性的认识，觉得老师讲的大概是对的，并没有深入地去理解为什么可以这样设计，而到了自己要把它讲清楚时，各种各样的问题就来了。总之，从头走到尾走下来，感觉收获是很大的，虽然过程是辛酸的，但是结果却令自己很欣慰。对于软件的使用，特别是 TCOS 的使用，我想说一句，没有掌握自动优化功能的使用，就没有掌握 TCOS 光学设计软件的精髓。我在刚开始时，根据计算得到的半径数据，上机调试，由于认识上的错误，一直以为最终的半径一定是在计算得到的数据的附近的值

30、。并且由于初期不懂得正确使用自动优化功能，因而我一直在计算得到的数据附近手动修改数据，结果得到的像差一直得不到较好的校正，特别是物镜的球差与位置色差的校正，真可用“鱼和熊掌不可兼得”来形容。后来逐渐发现自动优化功能是比较好用的，并且通过自动优化功能，我发现了最终的半径结果与最初的数据有较大的出入，甚至连数量级的都不同。在物镜的调试过程中，的值曾一度达到-2000 多，当时位置色差全孔径和零孔径分3r别达到 0.05 多与-0.09 多，是我调过的结果中位置色差最好的，且全孔径球差也满足要求，但由于弧矢彗差达到 0.028，超出容限，因而最终没有选择该组数据。对于物镜像差的校正，我想总结一下方法

31、，以供学弟学妹们参考（目镜相对简单，在此不再赘述）：首先，必须明确有多少个可调参量及有多少个需要校正的参量。物镜有 3 个曲率半径及 3 个厚度间隔可调，有 3 种像差及有效焦距，后截距需要校正。其次，要搞清各个可调参量对需校正的参量有哪些影响，影响多大以及需校正的参数哪些较难校正哪些较易校正，从而确定参数调整的优先级。对于物镜，球差与位置色差较难调整，而子午彗差较易调整；对像差没3d有影响，但对有效焦距与后截距有影响，因此有效焦距与后截距通过调整较易达到要求，3d但有效焦距不能偏离 120mm 太远，一般在 117123mm 内可通过调节 3 个厚度间隔使之达到要求；对像差的影响最大，其次是，再次是，而几乎对像差没有影响，因此校2r1r1d3r正物镜像差主要从,入手，辅助调节；增大将使球差增大，色差曲线左移，增大2r1r1d1r2r将使球差减小，色差曲线右移；、的改变将影响色差曲线的宽度与位置，这也是为1d2d什么有的人色差两边的绝对值之和仅有 0.