华中科技大学光学课程设计报告

光学课程设计报告班级：光电10052课程设计要求 3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 5 5ii.平板的像差 5iii.物镜像差要求 6 ■归一化处理 6 7 7■求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径 7■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 4.目镜设计 (1)初始结构计算 i.确定接眼镜结构 ii.确定场镜结构 (2)像差容限计算 (3)像差校正 四、像差评价 六、零件图、系统图 3一、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/f'=1:4(D为入瞳直径，D=30mm);3、望远镜的视场角2w=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。1.外形尺寸计算分划板半径由设计要求：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。4根据要求，可取a=14mm。等效平板厚度D=2h=16.574mm取L=33.5mm因此，等效空气平板厚其中c为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。代入数据，得：其中b为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取b=2mm由c>c知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。由物方视场2o=8°,可得：分划板半径像方视场2o=45.5°52.选型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)初始结构计算入瞳半径ii.平板的像差6iii.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；S,=-S=0.006096S,,=-Sp=-0.003404C,=-Cp=0.003667由S,=hP,S,,=h,P+JW=JW(h₂=O)又望远物镜物在无穷远，所以：P²=P7由光学仪器手册可查询到BaK2-ZF2玻璃对的详细信息：P₀=0.2602,Q=-4.2085,W₀=-0.0737q=2.0311,A=2.4050,K=1.7025n=1.5399,n₂=1.6725■求QQ=(-4.0479-4.0432)/2=-4.0456求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径p₂=Q+φ=-2.17748(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，9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：(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0半视场角(°)4入瞳半径系统面数7色光数3实际入瞳0上光渐晕1下光渐晕-1理想面焦距0理想面距离0面序号半径厚度玻璃STO81.85005.50712-53.09002.705BAK23-157.040056.000ZF240.000033.500150.00002.000K960.000033.50070.000014.502K9☆定义了下列玻璃：BAK2-------计算结果--------1.高斯参数有效焦距(f’)入瞳距离(1z)入瞳直径(D)30.00000后截距(L’)出瞳距离(1z’)前截距(L)-118.72772近轴像高(y')放大率(?)出瞳直径(D')拉赫不变量(J)出瞳直径(D')拉赫不变量(J)30.40651-0.314670.1246530.40651-0.314672.像差***零视场像差***球差弥散园F光球差轴向色差***D光各视场像差***相对视场LzlLz2Yz’Xt’Xs’Xts’10.0000-107.3986-8.4093-0.8494-0.4218-0.4276.850.0000-107.4170-7.1492-0.6151-0.3052-0.3098.70710.0000-107.4317-5.9482-0.4264-0.2115-0.2149.50.0000-107.4483-4.2067-0.2136-0.1059-0.1077.30.0000-107.4589-2.5243-0.0770-0.0381-0.0389(4)物镜像差曲线4.目镜设计(1)初始结构计算目镜为放大系统，需反向设计接眼镜的焦距f₂₁=1.2f₂=24mm接眼镜的初级像差满足：h₂=I₂·u₂=0.415P=0.929W⁴=-2.5243带入数据，得：Q=2.6164由此可得各曲率半径及厚度(计算方法及公式同物镜):rz=8.962mmr³=-16.063mmd₁=1.5mmd₂=4.5mm由接眼镜成像规律，目镜出瞳与其经接眼镜成的像满足：lz₁=-17.2mm场镜与接眼镜距离取18mm,则：lz₂=lz₁-d=-35.2mm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：f₂=31.437mm又由光焦度与透镜曲率半径的关系：n=1.5163(2)像差容限计算查询光学设计手册可得相关的像差容限公式如下：30°~60°K₇4fz²实际像差容限如下：相对视场0.3、0.50.707、0.85、1K₇0.0140.014(3)像差校正-------输入数据------物距半视场角(°)入瞳半径系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕理想面焦距理想面距离半径厚度玻璃128.55104.500F43-20.0300ZK3415K9-------计算结果--------1.高斯参数入瞳距离(1z)后截距(L')出瞳距离(1z’)近轴像高(y’)放大率(?)入瞳直径(D)出瞳直径(D’)拉赫不变量(J)像方孔径角(U')2.像差***D光各视场像差***相对视场Yz’Xt’Xs’Xts’1-1.4563-7.1406-1.07050.1449-0.135011KS'1.0H三、光瞳衔接根据物镜、目镜像差校正后的高斯参数可知：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K五、总体评价1、望远镜的放大率「=6倍；1、望远镜的放大率「=5.80倍；出瞳直径D′=5.17mm;六、零件图、系统图物镜零件图全部▽14对玻璃的要求R53.09R157.04R81.85R53.09R157.04R81.85均匀性3应力消除程度4光的吸收度3杂纹消除程度气泡程度对零件的要求f标记数量文件号签字日期物镜第二透镜图样标记重量比例工艺检查标准检查玻璃BaK2-ZF2七、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，P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，我才成功的在电脑上运行了TOCS。 (具体操作方法是使用批处理，bat文件的内容在体会之后附上)并且即便能够运行，也不能查询玻璃库，总之这个软件确实存在一些问题。希望老师以后能够提醒同学们注意，尽量在机房完成校正和计算结果输出，并且要保留像差图像。在目镜和物镜双双校正完毕之后，整个系统基本上已经确定完毕了。但是报告的编写还是花了我不少的时间。尤其是公式的编写非常花时间。这里我经过网上查询之后，我选择了使用mathtype6.0这个可以内置于word之中的插件。编写起来比起Microsoft公式编辑器更加的方便，使用起来也更快捷，熟练之后能节省不少时间。最后想说一下，虽然写这样一份报告耗时耗力都很多，但是觉得还是学到了一些，不说多的，至少把应用光学的许多内容强化加深了一遍，对自身还是很有PS:附上能够帮助在WIN7上运行TCOS的批处理文件内容Copy/y*.OCX%windir%\system32\regsvr32%windir%\syst