伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)報(bào)告總體設(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：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m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)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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，而物鏡到目鏡的間距為：1=f'-foe視覺(jué)放大率要求為5，故有：f'/f=5oe應(yīng)當(dāng)略小于筒長(zhǎng)，因此將設(shè)計(jì)為20mm，計(jì)算得出物鏡焦距力為00mm，目鏡焦距fe為0mm。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。由于視場(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)位于人眼觀察處，為方便觀察，設(shè)定出瞳距離目鏡處，物鏡的直徑為2，因此出瞳據(jù)物鏡距離為：l=f'-f+l'zoez2當(dāng)視場(chǎng)為50%漸暈時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為：DlZ計(jì)算得出望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為2，可見(jiàn)伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)非常小。lZ計(jì)算得出望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為2，可見(jiàn)伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)非常小。物鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選擇圖2常見(jiàn)的物鏡結(jié)構(gòu)圖2常見(jiàn)的物鏡結(jié)構(gòu)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?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。其中又可分為雙膠合物鏡、雙別離物鏡、三別離物鏡、攝遠(yuǎn)物鏡，如下列圖所示。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(guò)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(shè)計(jì)根據(jù)前面的計(jì)算，物鏡焦距力設(shè)計(jì)為根據(jù)前面的計(jì)算，物鏡焦距力設(shè)計(jì)為學(xué)系統(tǒng)，波段選取為可見(jiàn)光波段算波段，如下列圖所示：,最大口徑為2。目視光并將人眼敏感的綠光設(shè)為主要計(jì)在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)定入射光瞳〔〕的大小設(shè)為Wave：9ngrthDdla在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)定入射光瞳〔〕的大小設(shè)為UseWawelengih(micrometers)WeightUseWevelength(micramete向Weighi*反cuaooaooi]1r130.550DOODO1IV?0.550000001「M0550000001IV30.650000001廠150550000001340.75000000FIGmmn10.550000001rvUjSOOOODO1re0.550000001ris0.550DOODO1「70.550000001ris0.550DOODO1rso.EEOoaooa1rso055QD0QD01ra0.550000001r2i0.550DOODOIrio0.550000001rz?0550000001rn□.550000001「避D玷口口叩叩1□'.50000001rmii,50000001Select-^F,d,C(Visible)2dPrimaiy|2OKCancelSortHelpSavaLoaci圖3Zemax波段設(shè)置視場(chǎng)角設(shè)為。，如下圖：?，F(xiàn)ieldDataType.f?Angles[Deg)EReidNormfllizotian,「fObjsciHeichtUF^irax.ImageHeight("RsalImageHeighiIRadial二JUseX-FieldT^FieldWeightVDYVCXVCYJAN中1*2」3rt「5reF8「9riom「1202.871,D000idooq1,D00Q100001.0000100001.0000D.OQDOQD.DQDDDD.OQDOQonaooo..U..UL0.00DOO..U..UL：OOQDO□□□□□□1].000DO'nooooauoooo0000000.00000o.aoooa□.□□□DOo.aoooa|n-oooo|0.000000.00000O.OLIOOI]：OOQDO□,□□□□aa.OOQDO■noooo.UOOOO0000000.000DOO.QDOOao.aoooao.odooq0.000000.00000O.ODOOQ0.000000D1.D00QD.OQDOQ0OOQDOO.QDOOQaOOQDOO.QDOOaDD1DDDQD.OQDODI]DDaDDD.QDDDa□.□□ODDo.aoooa0D1,D00QD.OQDOQa.ooi]doO.QDOOl]a.ooadoO.ODOOQ0DinoonD.OODOOODDO00o.aoooo000000o.aoooo0D1.0000D.OODOO0.000000.00000.uoooo0.00000郵CenralSortHelpSeiyigClrVigLoad圖4視場(chǎng)角設(shè)置選定一組合適的初始參數(shù)在進(jìn)行建模和優(yōu)化，凸透鏡的材料選擇凹透鏡材料選擇。初始參數(shù)如下表：表1物鏡初始參數(shù)表

Surf[TypeConmeiitRudiu否ThicknessGLel"Semi-DianieterOBJStandaxd工門(mén)fi1r.it■￥InfinityInfinitySTOStandard1QC,COCV4.DDDBK712.5392Standard-IOC.cooV4.COOSFl12.5133Standard-IOC.OflUV2^0,000VIS.535IMAStandardInfinity22.156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，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SurfiTypeCommentRadiusThicknessGlassSemi-DiamjeterOBJStandardInfiriityInfinityInfinitySTOStandard14S.716V4.箕口BK712,5262StandardUHmV4.000SFl12.5353Standard-349.370V236.653V12-590工血StcindardInfiliity11.S21得到的設(shè)計(jì)如下列圖所示:圖7圖7光線像差學(xué)習(xí)文檔僅供參考圖6物鏡設(shè)計(jì)圖其視場(chǎng)內(nèi)的像差如下：圖9圖9MTF曲線學(xué)習(xí)文檔僅供參考圖8光瞳處像差學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考目鏡設(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(wú)窮遠(yuǎn)，因此目鏡的焦距為無(wú)窮遠(yuǎn)，目鏡的物方焦平面與物鏡的像方焦平面重合?；谄涫褂媚康暮吞匦裕哂幸韵绿攸c(diǎn)：.焦距在13范圍內(nèi)，太近或太遠(yuǎn)都不方便人眼觀察。.出瞳較小，一般在2左右，與人眼瞳孔大小相近；.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(wú)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(wú)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(chēng)式目鏡、無(wú)畸變目鏡和廣角目鏡。對(duì)稱(chēng)式目鏡是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙透鏡組成，對(duì)稱(chēng)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(chēng)式目鏡。依據(jù)節(jié)中的方法在中建立目鏡的模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。注意對(duì)稱(chēng)的鏡面其參數(shù)要采用的方法設(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，而且系統(tǒng)的出瞳距為1，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1。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Surf:TypeCannnentRadLug:Thicknesa0133手5emi-DiameterConicOBJStaDdardInfinityInfinityInfinityO.DDDST。StaDdardInfinity15.DOD2.DOOO.DDD2Stadd-irciV2.000VF37.609D.DDO3StandardS2.553V9.000VH-K9L0,0570,000qStandard-16^.&S5V0.1009.4優(yōu)0,C0(5standardle^.asEF6.00Dph-kSl9..S&2O.QOD€Standard-32.55-P2.000pF31G?537O.QOO1Standard-70.494P53.1G9V11?D27O.DDDIMAStandardInfinity20..B93O^DDD圖10目鏡設(shè)計(jì)圖優(yōu)化后的像差如下列圖：圖12圖12光瞳處像差曲線學(xué)習(xí)文檔僅供參考11目鏡光線像差曲線學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考圖13目鏡MTF曲線的結(jié)果，說(shuō)明設(shè)計(jì)十分理的結(jié)果，說(shuō)明設(shè)計(jì)十分理圖14波面像差曲線分析結(jié)果說(shuō)明目鏡系統(tǒng)的波像差到達(dá)了優(yōu)于入

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)SurfiTypeCommentRadiusThickne&sGlassSemi-DiameterOBJStadd=irdIn.fir.ityInfinityInfinitySTOrd145.7164.DO：BK712.5262SLat^da￡d-141.23541.DO-SF112.5343standard-349.370183,18312.5904standard-7S.49+2.000F3ii.seo5StandHrd-32.553B.DODH-K9L11.9266Standard169.SS5□,10D12.3727Standard-169.aas0.000H-K9L12.2916standard32,5532.000F313.3289standard7c415.0013.353IMAStadd=irdIn.fir.ity16.391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