光學儀器基礎(chǔ)課程設(shè)計-內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡的設(shè)計

1、電氣工程學院課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡的設(shè)計系 別：工業(yè)自動化儀表年級專業(yè)：xx級儀表x班學 號： xxxxxxxxxxx學生姓名 ： xxxxx指導教師：教師職稱：副教授 講師電氣工程學院?課程設(shè)計?任務(wù)書課程名稱： 光學儀器根底課程設(shè)計基層教學單位： 自動化儀表系指導教師:學號xxxx學生姓名xx專業(yè)班級08儀表3班設(shè)計題目簡單望遠物鏡的設(shè)計設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù)焦距f 215 ,相對孔徑為1:4.1.要求物鏡本身校正球差、慧差、軸向色差.入瞳位置在物鏡上.設(shè) 計 要 求計算望遠物鏡的各個參數(shù)；上機用軟件進行優(yōu)化,確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu),滿足像差要求參 考 資 料1、劉鈞,高明編著

2、,?光學設(shè)計?,2006,西安電子科技大學出版 社,西安2、?光學儀器設(shè)計手冊?,1971,國防科技出版社,北京3、光學設(shè)計軟件ZEMAX周次第二周應(yīng)完成內(nèi)容計算設(shè)計處望遠物鏡的各個參數(shù)上機進行優(yōu)化設(shè)計,確定最后的設(shè) 計結(jié)構(gòu)指導教 師簽字基層教學單 位主任簽字說明：1、此表一式三份,系、學生各一份,報送院教務(wù)科一份.2、學生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計報告前面.電氣工程學院教務(wù)科目錄第一章摘要 4第二章設(shè)計原理 42.1 內(nèi)調(diào)焦望遠鏡的外形尺寸計算 42.2 雙膠合物鏡5第三章初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算 63.1 結(jié)構(gòu)類型的選擇 63.2 前組雙膠合透鏡的參數(shù)和像差求解63.3 后鏡組的初始參數(shù)求解

3、8第四章使用ZEMAM件優(yōu)化10第五章總結(jié) 13參考文獻 14第一章摘要本文中介紹了一種內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡的設(shè)計.根據(jù)要求的數(shù)據(jù)求出設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),焦距f, 215mm,前鏡組相對孔徑是1 ： 4.1 ,后 鏡組相對孔徑為1： 3.3.并用ZEMA漱件仿真,校正球差、慧差和 軸向色差.但是由于誤差的絕對存在,使的不可能到達非常理想的 地步,只能是誤差在允許的范圍內(nèi).第二章設(shè)計原理所謂內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡,是指物鏡內(nèi)部有一個負的調(diào)焦鏡組構(gòu)成的復合物鏡,利用負鏡組對遠近不同的物體進行調(diào)焦能使想始終位于一個固定的位置上,故把這個起內(nèi)調(diào)焦作用的負鏡組稱為調(diào)焦鏡. 由于調(diào)焦鏡在鏡筒內(nèi)部,調(diào) 焦時不改變筒長,所

4、以稱為內(nèi)調(diào)焦望遠鏡,與外調(diào)焦望遠鏡相比,它具有筒長 短、封密性好的優(yōu)點,因此廣泛用于大地測量儀器中.負鏡組可將主面提前,使筒長顯著減小.具縮小比為m 1-1f式中,L是筒長；f,焦距等效距離.在望遠鏡做測距用時,測距方程為s Kl Cs1- 2式中,s是被測距離；1是讀輪的讀數(shù),一般去 K=100; cs是常數(shù).用望遠鏡測距時,用滿足準距條件L 2d f 0 時,cs 0f1式中, 是前組到轉(zhuǎn)軸的距離, 一般取 -1520mm.2在大地測量儀器中,望遠鏡的主要作用是觀察瞄準目標和測距.由于測量儀器是在野外使用,所以要求儀器的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、 效率高、質(zhì)量好.為求出三個未知量

5、L, f2和d ,需解下述三個方程組fl f2fflf2 ddd f 1 L1-3fi1.1 2d f1 0fi式中：L為自物鏡前組像方主平面到物鏡系統(tǒng)像面的距離； d為自物鏡前組像 放主平面到調(diào)焦鏡前主平面的距離；f1為物鏡系統(tǒng)焦距；fi1為物鏡前組焦距, f2為調(diào)焦鏡焦距.望遠鏡物鏡要求校正的像差主要是軸向色差、球差和慧差.由薄透鏡系 統(tǒng)的初級像差理論知道,一個薄透鏡組除了校正色差而外,還能校正兩種單色 像差,正好符合望遠鏡校正像差的需要,因此望遠鏡物鏡一般由薄透鏡組構(gòu)成.由于雙膠合物鏡無法校正像散、場曲.因此它的可用試場受到限制,一般 不超過10 如果物鏡后面有較長的棱鏡,那么由于棱鏡的

6、像散和物鏡的像散符 號相反,因而可以抵消一局部物鏡的像散, 試場可達.雙膠合物鏡無法限制孔 徑高級球差,因此它的可用相對孔徑也受到限制. 不同焦距時,雙膠合物鏡可 能得到滿意成像質(zhì)量的相對孔徑如表 1所示表1雙膠合物鏡的焦距與相對孔徑對應(yīng)關(guān)系表f501001502003005001000Df71: 31: 41: 51 : 61: 81 : 10一般雙膠合物鏡的最大口徑不能超過100mm ,這是由于當直徑過大時, 會使透鏡的重量過大而膠合不牢固,同時當溫度改變時,膠合面上容易產(chǎn)生應(yīng) 力,是成像質(zhì)量變壞,嚴重時可能脫膠.所以,對于直徑過大的雙膠合物鏡組, 往往不進行膠合,而是中間用很薄的空氣層隔

7、開,空氣層兩邊的曲率半徑仍然 相等.這種物鏡從像差性質(zhì)來說實際上和雙膠合物鏡完全相同.第三章初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算1.2 結(jié)構(gòu)類型的選擇由給出的技術(shù)參數(shù)為：焦距f 215mm通光口徑D1 35mm視場21 .5用內(nèi)調(diào)焦望遠鏡物鏡的公式1-3計算物鏡外形尺寸,有上述公式可得.前組焦距：f1 145mm后組焦距：f253mm兩組之間的間隔：d 78 mm對應(yīng)的組合焦距和系統(tǒng)長度為：f 215mm L 150mm透鏡組的結(jié)構(gòu)形式,是由它的光學特性確定的,我們首選看看前組,(1)前組透鏡的光束口徑就等于系統(tǒng)要求的通光口徑,因此它的相對孔徑D1351fi 145 4.1相對孔徑接近1/4,因此可以采用簡單的

8、雙膠合物鏡(2)調(diào)焦組的通光口徑D20調(diào)焦組的通光口徑可用光路計算的方法確定, 應(yīng)該按軸外上光線計算其口徑：D2Df145 783516145調(diào)焦組的相對孔徑為:D216153 3.3可以看出 滿足設(shè)計要求.由于物鏡要求的視場角很小(21.5 ),所以用不著考慮校正軸外相差,只需要校正球差、慧差和軸向色差,因此前后兩組可以各自獨立的進行校正, 這樣系統(tǒng)的裝配誤差對成像質(zhì)量影響較小,后面我們可以采用前后組獨立校正 像差的方案進行設(shè)計.1.3 前組雙膠合透鏡的參數(shù)和像差求解這個物鏡的視場教很小,所以軸外像差不大.主要校正的像差為球差、正 弦差和位置色差,可用雙膠合透鏡.根據(jù)設(shè)計要求,設(shè)像差的初級量

9、為零,那么按初級像差公式有亦即由此可得根本像差參量為再求0.由公式L0Ks0l FC0122nk Uk12nk Uk12nk Uk43一h22 Jh2 2Wh20W-1-0必 V20,C 01-40.85(W0.1)1-5我們選擇用冕牌玻璃進行計算.取 W 0 0 0.85 0 0.1 20.0085根據(jù).和C從附錄1查玻璃組合.0.1,帶入1-5 ,可得由于K9玻璃性能好而且熔煉本錢低,0.85(W0.2)因此應(yīng)優(yōu)先選用.可選它和ZF2玻璃組合,當C=0時,由附錄1差得0=0.038.從附錄2差得K9 ( n1=1.5163)和鏡組的各系數(shù)為ZF2 ( 1=1.6725)組合的雙膠合薄透=0

10、.038319,=2.009404,Q0 =-4.284074 ,并取 A=2.44,W.K=1.72根據(jù)公式:WW01-6Q0可得 Q Q0 =-4.284074, WW0 =-0.06099從而求得各面的曲率1Qn1 11.5163 2.00941.6173n111.5163 12Q12.27483Qn2110.7737n21n2 1再由公式求出球面半徑好似差計算r1f21589 66 mm1.uu m m1.6173Jf21563 74mmr22-2.2747f 215 r3 - 185.43mm30.7737根據(jù)半徑數(shù)值和通光口徑的要求,確定透鏡的厚度. d1 9.5mm d2 6mm

11、 d3 105mm1.4 后鏡組的初始參數(shù)求解根據(jù)已經(jīng)選定的結(jié)構(gòu)型式,后組為一個雙膠合透鏡組,求解的方法和前面 的求法完全相同.根據(jù)前面確定方法,要求獨立校正球差、慧差和軸向色差.因此后組的三個像差特性參數(shù)必須等于零,即：W C 0再根據(jù)h的規(guī)劃公式,顯然有：一 W C 0由公式u1 4W 1 u12 5 2/ r_ _1-7W W u 2對后組來說：f 53mm, l f1 d 145 78 67mm一 f 53Ui 0.791l 67將一 W 0,u? 0.791代入1-7 ,可求的-2.89 ；W2.05_2由公式1-5 求的 00.85 W W00.73查表可得ZF1-K7玻璃組合,火

12、石玻璃在前.同理,可以求出后鏡組的球面對半徑和各面的厚度4d4 2.4mmr542.79mmd5 5mmr6 53.03mm最后的望遠物鏡的初級參數(shù)如表 2所示.表2內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡的機構(gòu)參數(shù)主要技術(shù)指標結(jié)構(gòu)D1f4.1f 215mm21.5f )fD 35mmLJ1 J面號r/mmd/mmnD玻璃12K936ZF245ZF162BaF7第四章使用ZEMA漱件優(yōu)化優(yōu)化前的各種曲線圖：I t II 11_= 1_卜二_ I ijl 匚產(chǎn)NO TXTLE .mljM J UN /白 士小 L tHFliX XHlur-l -.CFM F； MSG f ! IC ROMS01. H Gbi i h匕.

13、口訕丑,門修MIOIOR修,GW lflPx 嵋MCONFI CURAiTXaN L DP 1像差特性曲線圖i：M I- -T m?!. n TI M -U w 門 MJ .UPpcins rtrT Pi Wind aw Tb* JBooeIS 通 M麗.HFGTS 2,0000 OEG光程特性曲線圖ILL口空 bLL口 snjng團.口023 i,號號.&ie與 F閂 T 匚 RL FPFniJFNCY TN CYCLF PER MTLLTMFTFPGJU UHml片寸土三 .立尸十二口嚴- rl=Il/fateo2-HoIN占5LENS HRSSUN rUNUH 1 H JU疑kMjgee

14、swNSWHMEsrnpk 4 tlek2 mCOr IRIGIJPP TIDN l OF l光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖優(yōu)化后的對應(yīng)的曲線圖:AAT FAN PLOTLENS HAS NO 7ITLE.THU JMN 23HHXXMLJM SCHLE ： 1 與口曰,.的 MICRONS .0 H9b - J0 5 5自一_ E口SfiMFlLESXLENS . ZHXCONFIGURA-TTON t. OF 1像差特性曲線圖；丁二I FiL FTT 卜 TFFF-NZHLEN5 HR5 NO 1TTL匚TUE Tun 20 20IL-1AKIMLM SCAL 1 S0. NALES 0 H06

15、- : 0 6-/：麻7勒二小RR叫耐明工瓶 CONFlGUkRTlDN L OF I光程特性曲線圖& Ji F仃L .fir* Jvr*型Fnrrr 出7rvig.up cO00.00I Z2 a M J3HM. 62SPATIAL FG匚口UGH匚丫 TN CYCLES PER MIL -TMETERPCiLY-HlgCiMFiT工匚 口工FF 亡T一口N ?TF LENS HFIS NO TITLE . SUN JUN=自三01I RTH 尸口良 0 . HIBfc l TQ E . 115tl3 MICRONS .E ；、0 -SAMP、LEMS,一 匚IMFHGLI-FITHCIIN

16、 1 - 1 光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖SS76 5-H 32 1U.S山工 r u口 srnw 復第五章總結(jié)這次光學課程設(shè)計,我介紹的是內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡的設(shè)計,雖然我學到的東 西還不是很全,更也需還沒有到達老師的所希望的水平,但是在這幾天的設(shè)計 中,我和其他同學相互相互討論,交換意見和建議,并且包括了根底知識的積 累、理論的成型.在這次課程設(shè)計中,我知道了光學的重要性,就從我的設(shè)計題目來看, 我們就可以知道它的重要性,由于我們都知道現(xiàn)在又很多地方都用的到望遠 鏡.特別是軍隊和天文學家們,那表現(xiàn)的就更加明顯了.所以,我們就可以知 道光學的重要性,設(shè)計的過程中,我很快熟悉到了自己掌握的知識還缺乏,某

17、些方面的水平還是不夠.這也讓我再次熟悉到知識的重要性,活到老,學到老,只有不斷的 充實自己、完善自己的知識理論體系,才能夠更好的勝任自己以后的工作.而且,將理論在某平臺的實現(xiàn)是要付出非常的努力和耐心、并不斷修正錯誤屢次 試驗、最后使理論和實踐達成統(tǒng)一的過程.設(shè)計中的缺乏讓我深刻的熟悉到認 真的學習和盡量掌握各方面知識是很重要的. 但是由于時間短促和自身水平的 限制,設(shè)計中還有很多問題存在,還有這樣或那樣的遺憾,但我會在以后的學 習中逐漸積累相關(guān)的知識和經(jīng)驗,所以 ,如果設(shè)計的結(jié)果沒有讓老師感到滿 意,或者沒有到達老師要求的那樣,希望老師能夠理解,我已經(jīng)很盡力了.總而言之,在這次課程設(shè)計中,在各方面我獲得了很多,對我有很大補充.課設(shè)中酸甜苦辣,我們和老師共同度過.老師給了我們鼓勵和動力.老師 的悉心教導和無時無刻的關(guān)心讓我有點感動.最后,向為期五天的光學課程設(shè)計說聲拜拜, 我很銘記這段時間,銘記這 段時