伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

1、伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)報(bào)告1.總體設(shè)計(jì)要求及方法課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，要求：放大倍率為5X，筒長(zhǎng)為250mm, 物鏡最大直徑不大丁 25mm,接受器為人眼。伽利略望遠(yuǎn)鏡是由正光焦度的物鏡和負(fù)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(yuǎn)鏡光路圖為對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 Zemax對(duì)望遠(yuǎn)鏡的 物鏡、目鏡分別進(jìn)行建模和優(yōu)化，以取代繁瑣復(fù)雜的光路計(jì)算。之后再將二者組 合建模，并對(duì)最后的成像質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)價(jià)。2.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1初步參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，鏡筒長(zhǎng)度 250mm,而物鏡到目鏡的問距為：I = f。- fe視覺放大率要求為5x,故有：f。/

2、 fe = 5I應(yīng)當(dāng)略小丁筒長(zhǎng)，因此將I設(shè)計(jì)為240mm,計(jì)算得出物鏡焦距f。'為300mm, 目鏡焦距fe為60mm。伽利略望遠(yuǎn)鏡一般以人眼作為視場(chǎng)光闌，物鏡框?yàn)橐晥?chǎng)光 闌，同時(shí)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入射窗。由丁視場(chǎng)光闌不與物面重合，因此伽利略望遠(yuǎn)鏡 一般存在漸暈現(xiàn)象。出瞳應(yīng)位丁人眼觀察處，為方便觀察，設(shè)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：z2lz = f。- fe l當(dāng)視場(chǎng)為50%漸暈時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為：. D tanlz計(jì)算得出望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角 3為2.8 °,可見伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)非常小。2.1物鏡設(shè)計(jì)2.1.1結(jié)構(gòu)選擇一般有三種結(jié)構(gòu)形式：折

3、射式、反射式和折返式。而一般軍用光學(xué)儀器和計(jì) 量?jī)x器中使用的望遠(yuǎn)鏡物鏡為折射式物鏡。 單透鏡的色差和球差都相當(dāng)嚴(yán)重，現(xiàn) 代望遠(yuǎn)鏡一般都采用兩塊或多塊透鏡組成的鏡組。其中乂可分為雙膠合物鏡、雙 分離物鏡、三分離物鏡、攝遠(yuǎn)物鏡，如下圖所示。F rnnn nonI LI LJ LI lJuLj雙略物鏡雙分商物鏡三分商物德圖2常見的物鏡結(jié)構(gòu)雙膠合物鏡是最簡(jiǎn)單和常用的望遠(yuǎn)物鏡，由一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡膠合而 成。雙膠合物鏡的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。2.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)前面的計(jì)算，物鏡焦距f。'設(shè)計(jì)為300mm,最大口徑為2

4、5mm。目視光 學(xué)系統(tǒng)，波段選取為可見光波段 0.4 pm-0.75pm，并將人眼敏感的綠光0.55四設(shè) 為主要計(jì)算波段，如下圖所示：Wav&leritfrh DtaU 5eWawml 刖 gnh (.micro net?同prooiooo3STOOOOOOoi.nODnnmiTODDUUJ 詁61而帥10.560000003.5500000D.5SOODOOOD.SzOO UUJnRSQDonnn|j.b：ODjuujSelect-。 F,d.mgWei j hlr 130 55C DO DO1r hQ 550 DM1 DO1r isD 55000000bri£DL.UD.

5、ODhri?U 5LJUJUU廠r 1aOSEQDOaDO1ria01550000001r叫0 55Q0JJDD1r 2i0.55000 DOir 2?D5EODQODOi廠跆n 550000001DlUDjOO1UseWefwml eregth (m icrom pfersWeighiPrimEfy2odLoad圖3Zemax波段設(shè)置在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)定入射光瞳(Entrance Pupil Diameter)的大小設(shè)為25mm, 視場(chǎng)角設(shè)為2.8。，如圖所示：圖4視場(chǎng)角設(shè)置選定一組合適的初始參數(shù)在Zemax進(jìn)行建模和優(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

6、鏡初始參數(shù)表SurfOBJ Stac.£LX dSTG StanciairdStandardStAtiddrd:MAS皿血KdPiidLusInlinityIOC.CCO V-loc.oao v -loc.cco vInlinity2n± izi.i.Ly4.DCD4,000"zmmo vInfinityBK712,539SF112.51312,535 32.156選取三個(gè)折射面的半徑和最后一個(gè)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(yīng)當(dāng)在優(yōu)化函數(shù)中選取有效焦距 EFFL為優(yōu)化變量，目標(biāo)值選為 240mm,即物鏡焦距的設(shè)計(jì)值。并在優(yōu)化函數(shù)中賦予較高的權(quán)重

7、， 這樣可以使得 Zemax優(yōu)化得出符合焦距要求的設(shè)計(jì)。優(yōu)化函數(shù)如下：圖5優(yōu)化函數(shù)然后使用Zemax進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后得到的參數(shù)表如下:圖6物鏡設(shè)計(jì)圖其視場(chǎng)內(nèi)的像差如下:圖7光線像差2.2目鏡設(shè)計(jì)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(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行觀察。正常人的遠(yuǎn)點(diǎn)為無窮遠(yuǎn)，因此目鏡的焦距為無窮遠(yuǎn)，目鏡的物方焦平面與物鏡的像方 焦平面重合?；∑涫褂媚康暮吞匦?，具有以下特點(diǎn)：1. 焦距在15mm-30mm范圍內(nèi)，太近或太遠(yuǎn)都不方便人眼觀察。2. 出瞳較小，一般在2mm-4mm左右，與人眼瞳孔大小相近；3. 視場(chǎng)角一般在40左右。設(shè)計(jì)上一般遵循反向設(shè)計(jì)的原則，這樣物平面為無窮遠(yuǎn)的光束，在有限距

8、離 的像面上成像，并評(píng)價(jià)像質(zhì)。否則需要在無窮遠(yuǎn)平面上進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，難度很 大。在望遠(yuǎn)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(duì)稱式目鏡、無畸變目鏡和廣角目鏡。對(duì)稱式目鏡是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙 透鏡組成，對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得加工較為方便。并且其相對(duì)出瞳距較大，在軍用觀察和 瞄準(zhǔn)儀器中應(yīng)用很廣，故設(shè)計(jì)采用對(duì)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(shè)置相關(guān)參數(shù)。注意對(duì) 稱的鏡面其參數(shù)要采用Pick up的方法設(shè)置為前面鏡面參數(shù)的-1倍。同樣地優(yōu)化 參數(shù)中設(shè)定有效焦距為60mm,而且系統(tǒng)的出瞳距為15mm,由丁反向設(shè)計(jì)因此 設(shè)定第一個(gè)第一個(gè)光學(xué)面的厚度為 15

9、mm。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iTypeCanurenLkadi u s.ThicknessGlassSem2 - Di ame Le uConicOBJSLD-daXdInfiEiityIniinityInfinityo.ooaStandard-InfinityJ5.QC02.00QOnQOQ5Standard70.49472.0QCVF3L&090.0003Stanrdard32.553VLOWVH-K9L9.0&7n, 1g4SldHrddlCl-169.&Vo,ico9.4網(wǎng):Sta-idardi£9,ea£Fe .oco

10、FH-KL M技0,000-32,553p2.000FF3IQ.S37o.aoo7Standard-7D,4WP53U69V11.027o.aooIMAS<i£LddrdInliE；ity2C.S9J0.000圖10目鏡設(shè)計(jì)圖優(yōu)化后的像差如下圖:圖11目鏡光線像差曲線圖12光瞳處像差曲線圖13目鏡MTF曲線圖14波面像差曲線分析結(jié)果表明目鏡系統(tǒng)的波像差達(dá)到了優(yōu)丁入/60的結(jié)果，說明設(shè)計(jì)十分理想。2.3整體光學(xué)系統(tǒng)建模按照前面的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)，在 Zemax中建立整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的模型，注意 物鏡和目鏡的焦點(diǎn)應(yīng)當(dāng)重合，其模型參數(shù)如所示。表4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)參數(shù)其光學(xué)設(shè)計(jì)圖如下:圖15望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像差如下圖所示:圖18伽利略望遠(yuǎn)鏡 MTF曲線3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在Solidworks中，