望遠鏡設計計算指導

《應用光學》課程設計—望遠鏡設計計算指導說明：1、本指導將全面介紹帶有普羅I型轉(zhuǎn)像棱鏡系統(tǒng)的望遠鏡設計過程以及計算，作為《應用光學》課程設計的實習范例。實驗報告需在此根底上完善和修改，嚴禁全盤抄襲本指導，否那么作0分處理！2、本指導省略了理論分析局部，計算依據(jù)請參考有關(guān)資料。設計題目和技術(shù)要求題目：雙筒棱鏡望遠鏡設計〔望遠鏡的物鏡和目鏡的選型和設計〕要求：雙筒棱鏡望遠鏡設計，采用普羅I型棱鏡轉(zhuǎn)像，系統(tǒng)要求為：1、望遠鏡的放大率Γ＝6倍；2、物鏡的相對孔徑D/f′＝1：4〔D為入瞳直徑，D＝30mm〕；3、望遠鏡的視場角2ω＝8°；4、儀器總長度在110mm左右，視場邊緣允許50%的漸暈；5、棱鏡最后一面到分劃板的距離14mm，棱鏡采用K9玻璃，兩棱鏡間隔為2～5mm。6、lz′=8～10mm如何開始呢？我們的工作將按照以下步驟進行：1、系統(tǒng)外形尺寸的計算：根據(jù)需求確定像差，選型；2、使用PW法進行初始結(jié)構(gòu)的計算：確定系統(tǒng)的r、d、n；3、像差的校正：通過修改r、d、n，調(diào)整像差至容限之內(nèi)；4、進行像質(zhì)評價，總結(jié)數(shù)據(jù)圖表，完成設計。下面我們將根據(jù)以上步驟來示范本次設計第一局部：外形尺寸計算一、各類尺寸計算1、計算和由技術(shù)要求有：，又，所以。又放大率Γ＝6倍，所以。2、計算3、計算4、計算〔目鏡視場〕5、計算棱鏡通光口徑〔將棱鏡展開為平行平板，理論略〕問題：如何考慮漸暈？我們還是采取50%漸暈，但是攔掉哪一局部光呢？攔掉下半局部光對成像質(zhì)量沒有改善〔對稱結(jié)構(gòu)，只能使光能減少〕，所以我們選擇上下邊緣各攔掉25%的光，保存中間的50%。即保存中間像質(zhì)好的，去掉邊緣像質(zhì)不好的。下半的25%由目鏡攔掉，上半的25%由棱鏡攔掉，只留下中間的50%。如圖：移出梯形后計算：，此處后截距取大于14mm即可，我取14mm。又，，所以有，。所以展開厚度，因為裝配需要，取，空氣平板的長度。即()物鏡距棱鏡第一面為。驗算：取會不會擋軸上點的光？如圖求得極限距離為，假設小于此距離時候棱鏡檔光，取59.8是可以的。意義：說明之前取后截距，但是不能取得太大，否那么棱鏡離物鏡太近了會擋光！6、求目鏡口徑無漸暈時候，，現(xiàn)在有25%的漸暈，所以7、結(jié)構(gòu)總尺寸二、選型望遠鏡：孔徑大，視場小，所以軸外像差小，只需要校正軸上點像差。兩種軸上點像差：球差、位置色差。與孔徑相關(guān)。其余軸外像差：與視場相關(guān)，但慧差與孔徑和視場都相關(guān)，所以也要考慮慧差。所以：對于物鏡：校正球差、位置色差、慧差〔用正弦差代替〕對目鏡：大視場，小孔徑。要校正：像散、場曲、畸變、慧差、倍率色差。選擇：物鏡—雙膠合；目鏡—凱涅耳目鏡。第二局部：PW法求初始結(jié)構(gòu)參數(shù)〔雙膠合物鏡設計〕〔PW法理論略〕一、求解本設計的結(jié)構(gòu)1、求由設計條件，有注意：由于含有平板，平板會產(chǎn)生像差，所以要用物鏡的像差來平衡平板的像差。2、平板像差兩個平板，厚度為，所以有，其中；；3、雙膠合物鏡像差雙膠合物鏡像差應該與平行平板像差等值反號，據(jù)此提出物鏡像差?！布僭O不需平衡平板像差的話，取物鏡像差都為0〕即雙膠合像差進行規(guī)化后：1〕2〕求P、W：3〕求、：4〕求假設冕牌玻璃在前：假設火石玻璃在前：查表，選玻璃對。5〕例如選取了K9-F5玻璃對查表有：所以；。取“—”號時比擬接近。所以注意，這是規(guī)化后的。所以二、上機計算根據(jù)之前的計算，已根本得到了雙膠合物鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。現(xiàn)在我們知道：物距：，半視場角：，入瞳直徑：30mm，折射面數(shù)：7個〔雙膠合3個，平板4個〕。因為入瞳在物鏡上，所以第一面為STO面，各面曲率半徑，平面曲率為infinity。另外有，同時有。輸入zemax運行計算：1〕焦距119.5～為合格；2〕像差容限i)球差：1H孔徑小于1倍焦深，1倍焦深==0.0377；0.707H帶球差小于6倍焦深=0.226。iii)慧差：我們用慧差代替正弦差，即弧矢慧差小于0.02即可。修改、、到達以上要求！〔可以選取別的玻璃對作為雙膠合物鏡，有的容易校正像差，有的那么稍微困難，即使玻璃對選取相同，最后調(diào)整的結(jié)果也不相同，所以不要抄襲!〕修改好似差后，按照《光學設計手冊》上p356頁的外表半徑數(shù)值表，套用標準半徑，選取影響最小的標準半徑，套完半徑后，保證焦距和像差在合格范圍，那么到達要求！注意：后截距，即棱鏡最后面到像面的距離要求大于等于14mm，修改完參數(shù)后可能改值只有8mm左右，怎么辦？改變前面的那個厚度，從而使后截距到達要求！至此，物鏡設計完畢，可以保存數(shù)據(jù)，圖表，整理設計報告。第三局部：目鏡的設計由于目鏡的設計比擬復雜，且日常使用的目鏡都已成型，我們采取直接選用的方式。1、選型，我們選擇凱涅耳目鏡。其中場鏡的作用是“光瞳銜接”。2、初始結(jié)構(gòu)參數(shù)〔三個透鏡，五個面〕目鏡是一個放大的光學系統(tǒng)，根據(jù)設計經(jīng)驗，我們采取“倒追”的方法，進行反向追跡！首先要確定的是接眼鏡的結(jié)構(gòu)，因為場鏡只是為了銜接光瞳的，對像差的要求在接眼鏡上。組合焦距，接眼鏡，一般取〔經(jīng)驗公式！〕原來的出瞳距現(xiàn)在因為反追變成了入瞳距，并且符號要反過來，。規(guī)化處理：3、校正像差與視場有關(guān)的像差有：慧差、像散、場曲、畸變，倍率色差。所以令。，所以可求，由可以選玻璃對。取，因為不用考慮平板和場鏡，直接用雙膠合來校正，所以。同時還有：我們已經(jīng)選好一對：1〕ZF3-ZK3其他還有2〕ZF5-ZK63〕ZF6-ZK10請自行查表計算。接下來計算接眼鏡的各外表曲率半徑：因為這次不知道，所以不用求了，所以直接有：所以接著計算：，所以，取雙膠合結(jié)構(gòu)參數(shù)求完！3、設計場鏡場鏡在此處的作用是幫助光瞳銜接，改變出瞳的位置。正的場鏡能使后面光組的通光口徑減小，使物鏡出瞳更靠近目鏡，負場鏡那么反之。設計思路：1〕我們前提系統(tǒng)出瞳的位置，現(xiàn)在采取反追方法，所以出瞳就變成了目鏡的入瞳；2〕該入瞳通過接眼鏡成的像與物鏡框是共軛的，但此時還不重合；3〕在接眼鏡后加上場鏡，使之前的像再通過場鏡成像到物鏡框上，實現(xiàn)光瞳銜接！計算：，d略小于20mm，取d=18mm對于場鏡來說，，這個數(shù)值未考慮透鏡厚度，還要加上6～7mm，接眼鏡厚度6mm，場鏡厚度0.8～1mm，所以取。而像距〔取后截距〕再由場鏡為平凸透鏡，材料選K9玻璃，根據(jù)計算：，從而得到場鏡的兩個曲率半徑。如此，算出了凱涅耳目鏡的5個曲率半徑都得到了！目鏡的上機數(shù)據(jù)，，入瞳位置計算得初始焦距大約為左右。目鏡的像差容限：五個像差一個焦距自己計算一下子午慧差2倍焦深左右〔盡量小于0.1〕；像散小于1.6；場曲小于1.6；畸變小于0.56；倍率色差小于0.03。盡可能小些，不強制要求。再看看現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)修改目鏡的入瞳距〔8～10mm那個參數(shù)〕，可以調(diào)整使光瞳銜接。目鏡的出瞳距為，都是允許的，說明滿足光瞳銜接！總結(jié)一下目鏡的要求：1、焦距19.5~；2、像差任意；3、光瞳要銜接；之后保存數(shù)據(jù)、圖表。光學零件制圖：嘗試畫一個雙膠合透鏡中的正透鏡，選做。第四局部：設計報告的內(nèi)容與要求可以手寫，可以打印，禁止復印〔0分處理〕。內(nèi)容以及要求1、封面：包括“應用光學課程設計”，班級、姓名、學號