華中科技大學(xué)光學(xué)課程設(shè)計(jì)報告

光學(xué)課程設(shè)計(jì)報告班級：光電10052課程設(shè)計(jì)要求 3設(shè)計(jì)步驟 31.外形尺寸計(jì)算 32.選型 53.物鏡設(shè)計(jì) 5(1)初始結(jié)構(gòu)計(jì)算 5 5ii.平板的像差 5iii.物鏡像差要求 6 ■歸一化處理 6 7 7■求歸一化條件下透鏡各面的曲率及曲率半徑 7■玻璃厚度 8(2)像差容限計(jì)算 8(3)像差校正 9(4)物鏡像差曲線 4.目鏡設(shè)計(jì) (1)初始結(jié)構(gòu)計(jì)算 i.確定接眼鏡結(jié)構(gòu) ii.確定場鏡結(jié)構(gòu) (2)像差容限計(jì)算 (3)像差校正 四、像差評價 六、零件圖、系統(tǒng)圖 3一、課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：雙筒棱鏡望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，采用普羅I型棱鏡轉(zhuǎn)像。1、望遠(yuǎn)鏡的放大率「=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(yuǎn)鏡的視場角2w=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。1.外形尺寸計(jì)算分劃板半徑由設(shè)計(jì)要求：視場邊緣允許50%的漸暈，可利用分劃板攔去透鏡下部25%的光，利用平板攔去透鏡上部的25%的光，這樣僅有透鏡中間的50%的光能通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)。4根據(jù)要求，可取a=14mm。等效平板厚度D=2h=16.574mm取L=33.5mm因此，等效空氣平板厚其中c為物鏡到第一個棱鏡前表面的最小距離。代入數(shù)據(jù)，得：其中b為普羅I型棱鏡系統(tǒng)的兩棱鏡的距離，根據(jù)要求，取b=2mm由c>c知，設(shè)計(jì)滿足實(shí)際棱鏡通光口徑的限制。由物方視場2o=8°,可得：分劃板半徑像方視場2o=45.5°52.選型查閱相關(guān)光學(xué)資料得，選擇雙膠合物鏡和凱涅爾目鏡。3.物鏡設(shè)計(jì)(1)初始結(jié)構(gòu)計(jì)算入瞳半徑ii.平板的像差6iii.物鏡像差要求物鏡像差要與平板像差以前校正，因此物鏡與平板相應(yīng)的像差之和應(yīng)為零；S,=-S=0.006096S,,=-Sp=-0.003404C,=-Cp=0.003667由S,=hP,S,,=h,P+JW=JW(h?=O)又望遠(yuǎn)物鏡物在無窮遠(yuǎn)，所以：P2=P7由光學(xué)儀器手冊可查詢到BaK2-ZF2玻璃對的詳細(xì)信息：P?=0.2602,Q=-4.2085,W?=-0.0737q=2.0311,A=2.4050,K=1.7025n=1.5399,n?=1.6725■求QQ=(-4.0479-4.0432)/2=-4.0456求歸一化條件下透鏡各面的曲率及曲率半徑p?=Q+φ=-2.17748(2)像差容限計(jì)算根據(jù)瑞利判斷準(zhǔn)則，系統(tǒng)所產(chǎn)生的最大波像差由焦深決定。令其小于或等于波長，9實(shí)際上，邊光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范圍內(nèi)。固此時邊光球差的容限為1倍焦深。即：類似與球差，其它像差容限為：(3)像差校正上機(jī)進(jìn)行像差校正之后，并參照光學(xué)器件設(shè)計(jì)手冊，采用標(biāo)準(zhǔn)化半徑之后參數(shù)得到的像差為1.初始參數(shù)物距0半視場角(°)4入瞳半徑系統(tǒng)面數(shù)7色光數(shù)3實(shí)際入瞳0上光漸暈1下光漸暈-1理想面焦距0理想面距離0面序號半徑厚度玻璃STO81.85005.50712-53.09002.705BAK23-157.040056.000ZF240.000033.500150.00002.000K960.000033.50070.000014.502K9☆定義了下列玻璃：BAK2-------計(jì)算結(jié)果--------1.高斯參數(shù)有效焦距(f’)入瞳距離(1z)入瞳直徑(D)30.00000后截距(L’)出瞳距離(1z’)前截距(L)-118.72772近軸像高(y')放大率(?)出瞳直徑(D')拉赫不變量(J)出瞳直徑(D')拉赫不變量(J)30.40651-0.314670.1246530.40651-0.314672.像差***零視場像差***球差彌散園F光球差軸向色差***D光各視場像差***相對視場LzlLz2Yz’Xt’Xs’Xts’10.0000-107.3986-8.4093-0.8494-0.4218-0.4276.850.0000-107.4170-7.1492-0.6151-0.3052-0.3098.70710.0000-107.4317-5.9482-0.4264-0.2115-0.2149.50.0000-107.4483-4.2067-0.2136-0.1059-0.1077.30.0000-107.4589-2.5243-0.0770-0.0381-0.0389(4)物鏡像差曲線4.目鏡設(shè)計(jì)(1)初始結(jié)構(gòu)計(jì)算目鏡為放大系統(tǒng)，需反向設(shè)計(jì)接眼鏡的焦距f??=1.2f?=24mm接眼鏡的初級像差滿足：h?=I?·u?=0.415P=0.929W?=-2.5243帶入數(shù)據(jù)，得：Q=2.6164由此可得各曲率半徑及厚度(計(jì)算方法及公式同物鏡):rz=8.962mmr3=-16.063mmd?=1.5mmd?=4.5mm由接眼鏡成像規(guī)律，目鏡出瞳與其經(jīng)接眼鏡成的像滿足：lz?=-17.2mm場鏡與接眼鏡距離取18mm,則：lz?=lz?-d=-35.2mm由光瞳的銜接知，物鏡經(jīng)過場鏡成的像與目鏡出瞳經(jīng)過接眼鏡成的像重合，所以：f?=31.437mm又由光焦度與透鏡曲率半徑的關(guān)系：n=1.5163(2)像差容限計(jì)算查詢光學(xué)設(shè)計(jì)手冊可得相關(guān)的像差容限公式如下：30°~60°K?4fz2實(shí)際像差容限如下：相對視場0.3、0.50.707、0.85、1K?0.0140.014(3)像差校正-------輸入數(shù)據(jù)------物距半視場角(°)入瞳半徑系統(tǒng)面數(shù)色光數(shù)實(shí)際入瞳上光漸暈下光漸暈理想面焦距理想面距離半徑厚度玻璃128.55104.500F43-20.0300ZK3415K9-------計(jì)算結(jié)果--------1.高斯參數(shù)入瞳距離(1z)后截距(L')出瞳距離(1z’)近軸像高(y’)放大率(?)入瞳直徑(D)出瞳直徑(D’)拉赫不變量(J)像方孔徑角(U')2.像差***D光各視場像差***相對視場Yz’Xt’Xs’Xts’1-1.4563-7.1406-1.07050.1449-0.135011KS'1.0H三、光瞳銜接根據(jù)物鏡、目鏡像差校正后的高斯參數(shù)可知：如上圖，為了保證光瞳的銜接，必須滿足：滿足光瞳銜接要求。四、像差評價K五、總體評價1、望遠(yuǎn)鏡的放大率「=6倍；1、望遠(yuǎn)鏡的放大率「=5.80倍；出瞳直徑D′=5.17mm;六、零件圖、系統(tǒng)圖物鏡零件圖全部▽14對玻璃的要求R53.09R157.04R81.85R53.09R157.04R81.85均勻性3應(yīng)力消除程度4光的吸收度3雜紋消除程度氣泡程度對零件的要求f標(biāo)記數(shù)量文件號簽字日期物鏡第二透鏡圖樣標(biāo)記重量比例工藝檢查標(biāo)準(zhǔn)檢查玻璃BaK2-ZF2七、設(shè)計(jì)體會對于光學(xué)課程設(shè)計(jì)這門課程，我的學(xué)習(xí)經(jīng)歷了從完全不懂—一知半解—有了自己的理解的過程。在經(jīng)歷這個變化的過程中我感覺是相當(dāng)?shù)耐纯嗟?，不過在痛苦中才能最大程度地激發(fā)人的潛力。有付出才有回報。前幾次上課的時候，對于我這個應(yīng)用光學(xué)基本上就沒怎么學(xué)懂的人來說，感覺就是不斷機(jī)械地抄寫老師的板書。因?yàn)閼?yīng)用光學(xué)實(shí)在是不記得什么內(nèi)容了。直到第一次上機(jī)之前，我才認(rèn)真學(xué)習(xí)了光學(xué)設(shè)計(jì)的報告手冊，并且按照老師給的公式和方法計(jì)算了像差、歸一化條件，并且選擇了物鏡玻璃。這里不得不說一下，我的物鏡玻璃選擇是比較失敗的，P相差了近0.7左右。這個確實(shí)是當(dāng)時選擇的時候比較失誤，只能說選擇的時候不夠耐心，沒有認(rèn)真選擇。這也直接導(dǎo)致了我之后校正物鏡像差的時候比較困難，像差比較大，不過好在物鏡需要校正的像差比較少，最后還是完成了校正。然后真正的挑戰(zhàn)從目鏡才剛剛開始，目鏡的計(jì)算復(fù)雜，關(guān)鍵是需要校正的像差也更多。尤其是子午慧差KT非常難以校正，校正KT基本上占據(jù)了我90%以上的上機(jī)時間。并且在規(guī)定的上機(jī)時間中，我并沒有完成目鏡像差的校正。在之后的時間我在寢室上對目鏡的KT進(jìn)行反復(fù)多次的校正。最后我總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)?zāi)跨R應(yīng)該盡量少用自動校正，應(yīng)該手動采用最小二乘法的方法，選擇一個變量之后然后逐步逼近調(diào)整。并且選擇難校正的變量，例如目鏡中的KT。采用逐個變量逐步逼近的方法，這樣校正效率最高，也不至于做無用功。還有就是自動校正物鏡時，其實(shí)可以把光焦度作為一個校正目標(biāo)，因?yàn)榍虿畋容^容易校正在目標(biāo)之內(nèi)，調(diào)好焦距之后一般就不需要校正球差了，個人覺得這樣也是一種方法。不過不知道是否合理與正規(guī)。這里必須評價一下TCOS這個軟件，其實(shí)作為一個如此小型的軟件，它的功能還是實(shí)用和強(qiáng)大的。但是這里不得不說的就是這個軟件的自動優(yōu)化比較容易使軟件死機(jī)，這不是什么大問題。關(guān)鍵是可能由于年代久遠(yuǎn)的原因，TCOS對Win7幾乎不兼容。在愛好電腦的同學(xué)的幫助下，我才成功的在電腦上運(yùn)行了TOCS。 (具體操作方法是使用批處理，bat文件的內(nèi)容在體會之后附上)并且即便能夠運(yùn)行，也不能查詢玻璃庫，總之這個軟件確實(shí)存在一些問題。希望老師以后能夠提醒同學(xué)們注意，盡量在機(jī)房完成校正和計(jì)算結(jié)果輸出，并且要保留像差圖像。在目鏡和物鏡雙雙校正完畢之后，整個系統(tǒng)基本上已經(jīng)確定完畢了。但是報告的編寫還是花了我不少的時間。尤其是公式的編寫非?；〞r間。這里我經(jīng)過網(wǎng)上查詢之后，我選擇了使用mathtype6.0這個可以內(nèi)置于word之中的插件。編寫起來比起Microsoft公式編輯器更加的方便，使用起來也更快捷，熟練之后能節(jié)省不少時間。最后想說一下，雖然寫這樣一份報告耗時耗力都很多，但是覺得還是學(xué)到了一些，不說多的，至少把應(yīng)用光學(xué)的許多內(nèi)容強(qiáng)化加深了一遍，對自身還是很有PS:附上能夠幫助在WIN7上運(yùn)行TCOS的批處理文件內(nèi)容Copy/y*.OCX%windir%\system32\regsvr32%windir%\syst