伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)說課講解

1、伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)精品資料伽利略望遠(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,筒長為250mm,物鏡最大直徑不大于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：lz-IM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，鏡筒長度 250mm,而物鏡到目鏡的間距為：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)

2、請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝2精品資料lfofe視覺放大率要求為5x,故有：fo / fe 5l應(yīng)當(dāng)略小于筒長，因此將l設(shè)計(jì)為240mm,計(jì)算得出物鏡焦距 記為 300mm,目鏡焦距fe為60mm。伽利略望遠(yuǎn)鏡一般以人眼作為視場光闌，物鏡 框?yàn)橐晥龉怅@，同時(shí)為望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡一般存在漸暈現(xiàn)象。出瞳應(yīng)位于人眼觀察處，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：1 r * r'2 z fo fe 1 z2當(dāng)視場為50%漸暈時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的視場角為：Dtan lz計(jì)算得出望遠(yuǎn)鏡的視場角 為2.8 °,可見伽利

3、略望遠(yuǎn)鏡的視場非常小。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：折射式、反射式和折返式。而一般軍用光學(xué)儀器和 計(jì)量儀器中使用的望遠(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。其中又可分為雙膠合 物鏡、雙分離物鏡、三分離物鏡、攝遠(yuǎn)物鏡，如下圖所示。僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝3精品資料nmJuLi雙配合物梵雙分高版軟三分落物就圖2常見的物鏡結(jié)構(gòu)雙膠合物鏡是最簡單和常用的望遠(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

4、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fo'設(shè)計(jì)為300mm,最大口徑為25mm。目視光 學(xué)系統(tǒng)，波段選取為可見光波段 0.4四-0.75叩，并將人眼敏感的綠光0.55叩 設(shè)為主要計(jì)算波段，如下圖所示：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝4精品資料Wdve eng th DataUsegih (rr 2口 mete 邙)1C.dCOOCOOOg015500COMr 65UDQ0N廠I.也加UI I匕6海 UQMQQ?C.5500000Cra0.55000 CWgC .55 00200010C55DDCOOCr 11OS50D00EMIr 12也卸加01KSele =

5、ir _| |fd,C1s 卻用卜加1iTi j Ftim aryi 23cLocd圖3 Zemax波段設(shè)置在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)定入射光瞳(Entrance Pupil Diametei)的大小設(shè)為25mm,視場角設(shè)為2.8° ,如圖所示：Field Dam.一 -TType四nqlm 口日5C Ofajad HaightC Ptom Irnaq： HeightRgpal imi日 HeiqhlField Nnrmelircnian| Radial二IUse HFieldlFierfdWeight4：VOi.3CYLWN0" CQO(JD.OCDOQ0 0WD0o.aooooQ0

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8、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)表僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝5精品資料選取三個(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，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:表2優(yōu)化后的參數(shù)表得到的設(shè)計(jì)如下圖所示:僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝6精品資料C；'T'XT_OBT .二

9、EX一CO! JFIuURHTrLil J 1 UF 1LFUPUTTHJ DEC ID EEUETDT-RL A KT AL LE1 q TH： 2hmiih.TF曰導(dǎo)貶3曰 F：FJ / FFtfl F L.QTTHU DECIUH二tLcIApr-r._Is .00 MaiS'T1.<T_OBT . "I I.-C-OI 1FIGURRTL0IJ 1 DF 1圖7光線像差圖6物鏡設(shè)計(jì)圖其視場內(nèi)的像差如下：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝7精品資料EMTRRrrr E FUFIL 曰日EFFRTmi【THJ DEC ID 三日】,5M.RXJ：MUM SC

10、HLB： 上 0.500 PERCEMG'丁 j： T_ OBTQ7CJ口 口 .E£。0 . o&Ci <i-7E.Dcor JPIGURFlTrLil 1 UF 1二UFERCE . DIRGEF匚Lf匚HOI RT匚 匚工FFFR匚丁工口f I IFF圖8光瞳處像差.口 WH h-q u口口二THU DEC in 二0口月TH F啟 口 .H.000 TO D - -SeiQ U"SURFACE ； IgJEOT'XT_DBT 一 NEXCCriRIuURATrOH 1 DR 1圖9 MTF曲線僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝

11、8精品資料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。基于其使用目的和特性，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 .視場角一般在400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

12、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,由于反向設(shè)計(jì) 因此設(shè)定第一個(gè)第一個(gè)光學(xué)面的厚度為 15mm。得到優(yōu)化參數(shù)如表3所示。僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝9精品資料表3優(yōu)化后目鏡參數(shù)表:TypeConmentHadLusThicknessGlaa3:

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14、169|V11,027O.DQOgE.ndudIr.f iniLy-2C.B93O.COQiLHWUTTHU DEC IE Z01.&TCTPtU R>.IHU LE：門匚TH：tS . Ze.317 h X. y 三T三-MXCQHRlCUPATIDr J.OF ).圖10目鏡設(shè)計(jì)圖優(yōu)化后的像差如下圖:僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝10精品資料TFHICERJE ERI FRf I RL.DTTHJ DEC ID 三日】,5MfixjHLJM SCftLB ： 土 J白白一白“ 乩也一Q7口口 口 .E£。0 . oSO <1-700二UFERCE

15、 . DIRGEG'丁 j：T_E i 巨CO! JPIGURFlTrLil J 1 UF 1圖11目鏡光線像差曲線El ITERI PC E FUFTL 曰E：EFF：HT丁口【THU DEC r I LU I 口 一口必二 LPIJFME 口匚1S- -01 DDE-E'CE-50 u -TCil'II戶ef廣err .圖12光瞳處像差曲線僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝11G丁/丁_巨丁曰 一 NEXL-Or JRIGURATrOI J 1 DR i.精品資料D-V-U-U- -U 1 。TS £ I T -V -V 。 0 0 0 0g QL

16、L口 W5LLOn一n 口口匚FOLI匚HE口11曰T工匚工FFRH匚T工口11 11TFTHU DEC 1。二口L5ORTH PDR G . h.加電 TD D - 700C1 口皿SURFACE ：工KRJE：口丁XT_W TE . Z MXQ 舊工口UMT工口IJ 1 uF j.圖13目鏡MTF曲線I HHi11IIii都IIIII Vll:i-'R1 'EFPorn fui JCTwr rTTJ 口區(qū) I。旎IE0.55CD 2 FIT 0-00 DE：DPE琲：TV小貝壬f ' B .碼* WfWEX E絡(luò) u .OI E-2 4即叵.口丁XT_曰Y曰.ZMX

17、Cur IRIGURATIOI1 1 口F 13"F刊X： FIRCEE. IT PUPIL 口工A»FT型:b.2訃曰CM HILL唯T氏邑圖14波面像差曲線僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝12精品資料分析結(jié)果表明目鏡系統(tǒng)的波像差達(dá)到了優(yōu)于人/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，具模型參數(shù)如所示。表4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)參數(shù)Surfs： TypeSadiiusGlassSeal -DxartEtar：I .-： .StandardnfinityInfini

18、tyInfinitysro smdaxd145,7164.000BKl12.5262SLdraddid-141h?6$4. DOOsn12.5343StanclHifd-349-370iaj.46312.5404Standard-7C P4942tQDCF311.SEDrandAfd-32,5538,000H-Kn11.9Z66Standard0.10012.372Standaxd-l9.8es9.000H-K9L”.工16StandardK 二 S3sTCiOcf39Standard?C .49+1tS,QOQ13.3533tandurdInfinity-16.391其光學(xué)設(shè)計(jì)圖如下:忖口盯PEC 1 H1日1,5 TDTtAL ATAL length：22e-583Dt)itri1 m 7i ixCOI JFIGURRTICin - 1 DF 1圖15望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)圖僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝13精品資料望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像差如下圖所示:TGRNSUEWm三 RAY FflK =QTMDN 匚三二 IT 2015MR乂工NjU SCALE：二 S000.000 5.0.5SRSURFFE: IMAGELENS.ZMXnrNFTnL.RRTTaN 1 C= 1圖16伽利略望遠(yuǎn)鏡光線像差EMTRFtrnC E FUFIL 曰日EFEHTHC【MDN DEC 1