伽利略望遠鏡設計

1、伽利略望遠鏡設計報告1. 總體設計要求及方法課題要求設計一個伽利略望遠系統(tǒng)， 要求：放大倍率為5X,筒長為250mm, 物鏡最大直徑不大于25mm，承受器為人眼。伽利略望遠鏡是由正光焦度的物鏡和負光焦度的目鏡組成，其放大倍率大于1。光路圖如下：圖1伽利略望遠鏡光路圖為對光學系統(tǒng)進展迭代設計和優(yōu)化，采用光學設計軟件 Zemax對望遠鏡的 物鏡、目鏡分別進展建模和優(yōu)化，以取代繁瑣復雜的光路計算。之后再將二者組 合建模，并對最后的成像質(zhì)量進展詳細的評價。2. 光學系統(tǒng)設計2.1初步參數(shù)設計根據(jù)系統(tǒng)設計要求，鏡筒長度 250mm，而物鏡到目鏡的間距為:2視覺放大率要求為5x,故有:l應當略小于筒長，因

2、此將I設計為240mm，計算得出物鏡焦距f。'為300mm， 目鏡焦距fe為60mm。伽利略望遠鏡一般以人眼作為視場光闌，物鏡框為視場光 闌，同時為望遠系統(tǒng)的入射窗。由于視場光闌不與物面重合，因此伽利略望遠鏡一般存在漸暈現(xiàn)象。出瞳應位于人眼觀察處，為方便觀察，設定出瞳距離目鏡 15mm處，物鏡的直徑為25mm,因此出瞳據(jù)物鏡距離為：當視場為50%漸暈時，望遠鏡的視場角為：叵S計算得出望遠鏡的視場角co為2.8 °可見伽利略望遠鏡的視場非常小。2.1物鏡設計構(gòu)造選擇般有三種構(gòu)造形式：折射式、反射式和折返式。而一般軍用光學儀器和計量儀器中使用的望遠鏡物鏡為折射式物鏡。 單透鏡的色

3、差和球差都相當嚴重，現(xiàn) 代望遠鏡一般都采用兩塊或多塊透鏡組成的鏡組。其中又可分為雙膠合物鏡、雙別離物鏡、三別離物鏡、攝遠物鏡，如下列圖所示雙膠合物鏡雙分制鏡三分勧鏡圖2常見的物鏡構(gòu)造雙膠合物鏡是最簡單和常用的望遠物鏡，由一個正透鏡和一個負透鏡膠合而 成。雙膠合物鏡的優(yōu)點為構(gòu)造簡單，制造和裝配方便。通過選擇材料以及彎曲鏡 面可以矯正透鏡組的球差、彗差和軸向色差。優(yōu)化設計fo'設計為300mm，最大口徑為25mm。目視光0.4ym0.75ym,并將人眼敏感的綠光 0.55 ym設根據(jù)前面的計算，物鏡焦距 學系統(tǒng)，波段選取為可見光波段 為主要計算波段，如下列圖所示:Wavengti Da咕眉

4、殛F273廠弓re廠？ParaHiWi-T-len gih (rr icri mete 國|c.<oocoooCBFCOCnOC "Foil 'nnrr i. .Mil uu.QL55CU-UOO -1050000000.5500000C|OOOQCW10.55000 000bFdU' 1.1111121，iiii UliSeleri-J31111廠廠廠廠r 2or衛(wèi)7,6v?l Fngfrn (m icrorr =iters|13 5 G 7 B 91 1 1 11I1i72 pssiiiiiirMi 廠 23 p 話inn inn2A p.'.-Ul

5、jji?Frim sryiOKOair>G®l3orlHelpSaa-DEdT圖3Zemax波段設置在系統(tǒng)設置中設定入射光瞳Entrance Pupil Diamete的大小設為25mm, 視場角設為2.8°，如下圖：圖4視場角設置選定一組適宜的初始參數(shù)在Zemax進展建模和優(yōu)化，凸透鏡的材料選擇BK7, 凹透鏡材料選擇SF1。初始參數(shù)如下表：表1物鏡初始參數(shù)表選取三個折射面的半徑和最后一個面的厚度作為優(yōu)化變量，根據(jù)要求選取優(yōu) 化函數(shù)，其中應當在優(yōu)化函數(shù)中選取有效焦距EFFL為優(yōu)化變量，目標值選為240mm,即物鏡焦距的設計值。并在優(yōu)化函數(shù)中賦予較高的權(quán)重，這樣可以使

6、 得Zemax優(yōu)化得出符合焦距要求的設計。優(yōu)化函數(shù)如下：圖5優(yōu)化函數(shù)然后使用Zemax進展優(yōu)化，優(yōu)化后得到的參數(shù)表如下:表2優(yōu)化后的參數(shù)表得到的設計如下列圖所示:=二二-三L_亠LHWUT+開芒L虬建品TH :65196 tl.f 1.匚丁XT OE-T .二卜IX COI JPluUFFlTrLil J . uF j圖6物鏡設計圖其視場的像差如下:TRFfclRFtC FRM PLOTTHU DE 匚 1U ZEHEKRzJMUri SCRLa： ±1 CD.©00 叢孤一於一氣口。 0 . SFC 0 -= CJ <'-7S05'JRFHCE:匚丁

7、X T um丁. z:r ix CJNFICUKRTlCH J . UF ).圖7光線像差FFJ:P/<?BT： L-HCOP CP左El ITF.RriT E FUFIL RBE:RF：HTIp< rTHDEC i iftxj'nuri 0.400-7EDsLriHw Dr-r._ Is .Djufrace :OJ-.,< T.二 r I.L-CrJFIQUFATlLll J 1 OF 1圖8光瞳處像差bED0JO.QSTEWBlJ.EEI 壬j.tiIF*21$那邦SPATIAL. PREQUEinrY' TTJ C rCLE F'ER I IDF

8、口L i 匚HF.GIIRTH匚 口工口門 ITFTHLr DEC IQ 15 HTH fDF? 0 . HOC'O TO D rS00 mSUFTflCE ；工如GF1二丁 <；T_ 三 IT .二 EXCOtJFIGURHTLLiH 1 DF 1圖9 MTF曲線2.2目鏡設計目鏡的作用是將物鏡所成的像放大后將其成像在人眼的遠點進展觀察。正常人的遠點為無窮遠，因此目鏡的焦距為無窮遠，目鏡的物方焦平面與物鏡的像方 焦平面重合?；谄涫褂媚康暮吞匦?，具有以下特點：1. 焦距在15mm-30mm圍，太近或太遠都不方便人眼觀察。2. 出瞳較小，一般在2mm-4mm左右，與人眼瞳孔大小相

9、近；3. 視場角一般在40°左右。設計上一般遵循反向設計的原那么， 這樣物平面為無窮遠的光束，在有限距離的像面上成像，并評價像質(zhì)。否那么需要在無窮遠平面上進展評價和優(yōu)化，難度很大。在望遠鏡和顯微鏡中，目前常用的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱 涅耳目鏡、對稱式目鏡、無畸變目鏡和廣角目鏡。對稱式目鏡是由兩個構(gòu)造對稱 的雙透鏡組成，對稱構(gòu)造使得加工較為方便。并且其相對出瞳距較大，在軍用觀 察和瞄準儀器中應用很廣，故設計采用對稱式目鏡。依據(jù)2.1節(jié)中的方法在Zemax中建立目鏡的模型，并設置相關(guān)參數(shù)。注意對 稱的鏡面其參數(shù)要采用Pick up的方法設置為前面鏡面參數(shù)的-1倍。同樣地優(yōu)化 參

10、數(shù)中設定有效焦距為60m m，而且系統(tǒng)的出瞳距為15m m，由于反向設計因此 設定第一個第一個光學面的厚度為15mm。得到優(yōu)化參數(shù)如 表3所示。表3優(yōu)化后目鏡參數(shù)表: Typ己屈dlu豊Thiekness51333Semi-DiawterConicOSJInfinityIn£_nityInfinityO.QOQSTDLaciduxd鼻匚丄ty15.00Q2. COOi.ooc2Stai-d-ird70.494v2.00DV*?"=：7.S053. JOO3Stiandard32.S53-8.0VR-K9La.0.0004Standard-169.BBSVO.KD9,406o

11、,a5St Aful&Erd的冷貼p:.0pt-K«9.5120.000ZStandaKd-32,553p2-GCI0pF310,531oraoo1£t-edmrd-70.4941p?3rl69V11.027OrDOO!ZMAStanxiard2C.B93JbCQQTHU DEC ID 2015TOTRL AMRL LCNDTH :MK匸丁 X r _ 三 T 巨 二i COr iRICUP-RTICirj i. C'P ).圖10目鏡設計圖優(yōu)化后的像差如下列圖:E -0THDEC i iftxj'nuri 0.400sLri hlo owr-r._

12、 Is .DLHGUF RACE:-.-：PP吐那TFRI ISVERSE FRFRf I RLDTD on口丁XT_EiB.二円工L-CrJFIQUFATlLll J 1 OF 1圖11目鏡光線像差曲線F；<El ITFRriT E FUFIL RBEFF：HTir?| jTHiJ吐匚1 HHJ'MLlri 二 - kCiO D.MLrJR-5匚'c0L EoSi.rFF：ACE:G；r xr_三z i i >CChJRIuU'RATfLil I 1 DF 1圖12光瞳處像差曲線山一 口 山 HL H-0nnjri 口Q 二1> 1職 W-、PTii

13、1|、T、J二一-W禿祀祁J.t®A&J,bi卿YF冃THRL. FE：BOuei re< I?j C匚 LES FEP i !MFDL,i 匚RFC I IRTT匚 口工 FFEH匚THE I IFFTHiJ DE匚 1 口DRTP POR D H0CO TO D7000 um.EURFR匚E ：工URGE：i二丁 KT_ B TB . Z：.l IX.C-OtJPIuURFlTrOH 1 liF j圖13目鏡MTF曲線 nHnH.童翠川川川川川川川歩HR' EFRpriT FUIJ CT LU IJTHU DEl- U-西 l.£E)-55GD &

14、lt;dt FIT D.DO DECPE琲：TV VHLLET -肛陽* 丨刊 邱恬 ”；u UI.&2 UmVK.5UEFRUE：: H1FIGER-.TT PUPJk PIRHETPP.： b.2%feE*師B HHEFTEREG 丁 < T _e -i'-B . Z：l l >L-urJFIGURHVfoi J . liR 1圖14波面像差曲線分析結(jié)果說明目鏡系統(tǒng)的波像差到達了優(yōu)于入/60的結(jié)果，說明設計十分理想。2.3整體光學系統(tǒng)建模按照前面的光學設計參數(shù)，在 Zemax中建立整個望遠鏡系統(tǒng)的模型，注意 物鏡和目鏡的焦點應當重合，其模型參數(shù)如所示。表4望遠鏡

15、系統(tǒng)參數(shù)Surf ; TypeC mner.tELdiu£ThicknessGLeijs 占Sai -D 士日 zue te rCBulInfinityInfinityInfinitySTCStandard14S.71C4.000BKl12.S26£StandAEd-141*285XOOtlSF112.534-34*h370iS3+4&j12,5904Standard-70 増超42.000F311.8BQ5StAfidird-32.553B.OODH-K9LU.»2&StziziiEir il169EP23.10012.3727-169.6B5B

16、aooH-K9L12.291BStandard32.5532.000F313.328Standard70.494lb*ODO13.353"MAStanduMlIn.fijii.ty-16.391其光學設計圖如下:LnrouTTOTRLEAIRL2LEN(；TH :22b * 昶死0L.EIJS.-n.x匚口！ IFICUFFITICH J I, pF ).圖15望遠鏡光學設計圖望遠鏡系統(tǒng)的像差如下列圖所示:TEHHWEFSE RRC F：R卜 1 RLDTMCirr 口E匚 14 MDL5M.RXJMUM SCALB- 士 50D0-00O ui. ©HOSUFFICE:I

17、 F? L 7 k|WTOHFICUFATIUf'j ' 1 OF 1圖16伽利略望遠鏡光線像差ter： d ocw re曹ENTERrir-E PL'FIL FtBEKFRTH口JMCirr 口EC IT MEH5HRxZrlUll SCRL.E： 土 0 上日Ci FERCGMT .ELFFFl 匚 E ：工hlRGEL.FIJS.ZIIX CCHPICLIPATIQm i, 口 F ).圖17伽利略望遠鏡光瞳處像差LLDLU 工 i-u. oODg hm nt.UW& TEifi j CLJllel t c T'bjmr rM uUQT'E d心！一 2 E f十.TAAA A AA/j丄flAirvz-'/ v U拯Jl/X f /y?A-4 l：JTS 0.GDOD DECTS 1.4000 DEG*.*ISl*02L«出上5FHTIRL FREQUEf IC'i' If I rYC&