【用Zemax設(shè)計(jì)開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡淺析7900字（論文）】

用Zemax設(shè)計(jì)開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡淺析摘要為實(shí)現(xiàn)手持激光測距望遠(yuǎn)鏡的小型化和輕量化，使激光測距接收部分與望遠(yuǎn)物鏡共用，利用Zemax進(jìn)行多重結(jié)構(gòu)優(yōu)化，既能滿足望遠(yuǎn)物鏡的性能要求也能滿足激光接收部分性能要求，又能運(yùn)用Zemax光學(xué)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)出的望遠(yuǎn)系統(tǒng)放大倍率，物鏡焦距，物鏡視場角，入瞳直徑，出瞳距離，光學(xué)總長控制，系統(tǒng)二級(jí)光譜色差等來滿足設(shè)計(jì)要求。用Zemax設(shè)計(jì)開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡能滿足望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)觀察的性能要求，同時(shí)又能保證接收光學(xué)系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)漫反射光線的聚焦要求。關(guān)鍵詞：望遠(yuǎn)系統(tǒng)；Zemax；設(shè)計(jì)開普勒；望遠(yuǎn)鏡；目鏡目錄引言 4一開普勒式望遠(yuǎn)鏡 4二望遠(yuǎn)鏡成像原理 42.1透鏡正像系統(tǒng) 42.2物鏡和目鏡 5三目鏡光學(xué)特性與像差 63.1目鏡光學(xué)特性 63.2目鏡像差特點(diǎn) 73.3目鏡設(shè)計(jì)依據(jù) 73.4本章小結(jié) 84用Zemax設(shè)計(jì)開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡 84.1望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì) 84.1.1望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù) 84.1.2技術(shù)指標(biāo) 84.1.3目鏡參數(shù)焦距 8引言現(xiàn)階段激光測距望遠(yuǎn)鏡得到越來越廣泛地應(yīng)用，特別在戶外運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。國外有許多相對(duì)成熟的產(chǎn)品，攜帶方便、且測距精度高。國內(nèi)的激光測距望遠(yuǎn)鏡在小型化、輕量化和測距精度等方面與國外產(chǎn)品競爭中處于劣勢，故對(duì)激光測距望遠(yuǎn)系統(tǒng)研究具有很好的前景。據(jù)國外媒體報(bào)道，雖然開普勒系外行星探測器的反作用指向裝置出現(xiàn)嚴(yán)重故障，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡無法正常工作，但是美國宇航局并沒有放棄復(fù)活該望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃。艾姆斯研究中心的開普勒項(xiàng)目專家威廉·布魯克認(rèn)為開普勒望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完成了它的觀測任務(wù)：找到一個(gè)適合居住的類地行星，只是目前還有相當(dāng)于多的數(shù)據(jù)需要得到充分處理。適宜居住的類地行星可能已經(jīng)記錄在龐大的數(shù)據(jù)庫中，此類系外行星的大小與地球類似，并且處于軌道恒星周圍的可居住區(qū)上，屬于巖質(zhì)行星。一開普勒式望遠(yuǎn)鏡開普勒式望遠(yuǎn)鏡，折射式望遠(yuǎn)鏡的一種。物鏡組也為凸透鏡形式，但目鏡組是凸透鏡形式。這種望遠(yuǎn)鏡成像是上下左右顛倒的，但視場可以設(shè)計(jì)的較大，最早由德國科學(xué)家開普勒（JohannesKepler）于1611年發(fā)明。為了成正立的像，采用這種設(shè)計(jì)的某些折射式望遠(yuǎn)鏡，特別是多數(shù)雙筒望遠(yuǎn)鏡引在光路中增加了轉(zhuǎn)像稜鏡系統(tǒng)。此外，幾乎所有的折射式天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)為開普勒式。原理由兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成。由于兩者之間如圖左側(cè)為實(shí)像，可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠(yuǎn)鏡，小型天文望遠(yuǎn)鏡等專業(yè)級(jí)的望遠(yuǎn)鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。正像系統(tǒng)分為兩類：棱鏡正像系統(tǒng)和透鏡正像系統(tǒng)。我們常見的前寬后窄的典型雙筒望遠(yuǎn)鏡既采用了雙直角棱鏡正像系統(tǒng)。二望遠(yuǎn)鏡成像原理2.1透鏡正像系統(tǒng)透鏡正像系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的透鏡來將像倒轉(zhuǎn)，成本較高，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在正像的同時(shí)將光軸兩次折疊，從而大大減小了望遠(yuǎn)鏡的體積和重量。但俄羅斯20×50三節(jié)伸縮古典型單筒望遠(yuǎn)鏡即采用設(shè)計(jì)精良的透鏡正像系統(tǒng)。顯微鏡的物鏡和目鏡與開普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡的異同：顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡都是由兩組凸透鏡組成，都叫物鏡和目鏡，但有不同的地方，顯微鏡的物鏡，物距在二倍焦距和一倍焦距之間，成倒立放大的實(shí)像。作用是使物體進(jìn)行第一次放大。望遠(yuǎn)鏡的物鏡，物距在二倍焦距以外，成倒立縮小的實(shí)像，作用是把遠(yuǎn)處的物體與眼睛的距離拉近。但二者的目鏡都起放大鏡的作用。望遠(yuǎn)鏡的前面有一塊直徑大、焦距長的凸透鏡,名叫物鏡；后面的一塊透鏡直徑小焦距短,叫目鏡.正像系統(tǒng)分為兩類：棱鏡正像系統(tǒng)和透鏡正像系統(tǒng)。我們常見的前寬后窄的典型雙筒望遠(yuǎn)鏡既采用了雙直角棱鏡正像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在正像的同時(shí)將光軸兩次折疊，從而大大減小了望遠(yuǎn)鏡的體積和重量。透鏡正像系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的透鏡來將像倒轉(zhuǎn)，成本較高，但俄羅斯20×50三節(jié)伸縮古典型單筒望遠(yuǎn)鏡既采用設(shè)計(jì)精良的透鏡正像系統(tǒng)。日常生活中的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡又稱“千里鏡”.它主要包括業(yè)余天文望遠(yuǎn)鏡,觀劇望遠(yuǎn)鏡和軍用雙筒望遠(yuǎn)鏡.原理由兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成.由于兩者之間有一個(gè)實(shí)像,可方便的安裝分劃板,并且各種性能優(yōu)良,所以目前軍用望遠(yuǎn)鏡,小型天文望遠(yuǎn)鏡等專業(yè)級(jí)的望遠(yuǎn)鏡都采用此種結(jié)構(gòu).但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的,所以要在中間增加正像系統(tǒng).正像系統(tǒng)分為兩類：棱鏡正像系統(tǒng)和透鏡正像系統(tǒng).我們常見的前寬后窄的典型雙筒望遠(yuǎn)鏡既采用了雙直角棱鏡正像系統(tǒng).這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在正像的同時(shí)將光軸兩次折疊,從而大大減小了望遠(yuǎn)鏡的體積和重量.透鏡正像系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的透鏡來將像倒轉(zhuǎn),成本較高,但俄羅斯20×50三節(jié)伸縮古典型單筒望遠(yuǎn)鏡既采用設(shè)計(jì)精良的透鏡正像系統(tǒng).目鏡的作用是把物鏡放大的實(shí)像（中間像）再放大一遍，并把物像映入觀察者的眼中，實(shí)質(zhì)上目鏡就是一個(gè)放大鏡。已知顯微鏡的分辨率能力是由物鏡的數(shù)值孔徑所決定的，而目鏡只是起放大作用。因此，對(duì)于物鏡不能分辨出的結(jié)構(gòu)，目鏡放的再大，也仍然不能分辨出。由于不同系列目鏡光學(xué)設(shè)計(jì)不同，所以不能混用。觀測用的目鏡依其焦距來區(qū)分其放大倍率，目鏡的焦距愈長，數(shù)字愈多其放大倍率愈小，視野也就愈大。一般而言40毫米以上，稱之為低倍目鏡，適合觀測星云、星團(tuán)、彗星等微光、暗淡天體。25毫米—12毫米，稱之為中倍目鏡，適合觀測月面、行星、雙星及明亮星云內(nèi)部。12毫米—4毫米稱之為高倍目鏡，適合觀測月面細(xì)部坑洞、行星表面、雙星等。2.2物鏡和目鏡物鏡把來自遠(yuǎn)處景物的光線,在它的后面匯聚成倒立的縮小了的實(shí)像,相當(dāng)于把遠(yuǎn)處景物一下子移近到成像的地方.而這景物的倒像又恰好落在目鏡的前焦點(diǎn)處,這樣對(duì)著目鏡望去,就好象拿放大鏡看東西一樣,可以看到一個(gè)放大了許多倍的虛像.這樣,很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的景物,在望遠(yuǎn)鏡里看來就仿佛近在眼.原理由兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成。由于兩者之間有一個(gè)實(shí)像，可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠(yuǎn)鏡，小型天文望遠(yuǎn)鏡等專業(yè)級(jí)的望遠(yuǎn)鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡是一種用于觀察遠(yuǎn)距離物體的目視光學(xué)儀器,能把遠(yuǎn)物很小的張角按一定倍率放大,使之在像空間具有較大的張角,使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可辨.所以,望遠(yuǎn)鏡是天文和地面觀測中不可缺少的工具.它是一種通過物鏡和目鏡使入射的平行光束仍保持平行射出的光學(xué)系統(tǒng).根據(jù)望遠(yuǎn)鏡原理一般分為三種.一種通過收集電磁波來觀察遙遠(yuǎn)物體的儀器.在日常生活中,望遠(yuǎn)鏡主要指光學(xué)望遠(yuǎn)鏡.但是在現(xiàn)代天文學(xué)中,天文望遠(yuǎn)鏡包括了射電望遠(yuǎn)鏡,紅外望遠(yuǎn)鏡,Ｘ射線和伽嗎射線望遠(yuǎn)鏡.近年來天文望遠(yuǎn)鏡的概念又進(jìn)一步地延伸到了引力波,宇宙射線和暗物質(zhì)的領(lǐng)域.在日常生活中,光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常是呈筒狀的一種光學(xué)儀器,它通過透鏡的折射,或者通過凹反射鏡的反射使光線聚焦直接成像,或者再經(jīng)過一個(gè)放大目鏡進(jìn)行觀察.依不同對(duì)象選擇不同焦距的目鏡，一般市售望遠(yuǎn)鏡均附有二三個(gè)目鏡，分為中、高、低（如12毫米，6毫米，25毫米）或是中、高倍（如18毫米，6毫米）配備。PK建議倘若有機(jī)會(huì)應(yīng)另外添購40毫米長焦專用低倍目鏡，它們在觀看星云、星團(tuán)時(shí)效果特別好。值得注意的一點(diǎn)是，普通目鏡的規(guī)格是24.5毫米，另外還有3種”大頭”目鏡的規(guī)格是31.7毫米、36.4毫米、50.8毫米，直徑變大使目鏡玻璃也變大，觀看起來就像看大屏幕的電視一樣。三目鏡光學(xué)特性與像差3.1目鏡光學(xué)特性在目視光學(xué)系統(tǒng)中目鏡是是相當(dāng)重要的，它的作用是把被觀察的物通過物鏡所成的像最后聚焦在目鏡物方焦平面處，然后經(jīng)目鏡成像在無窮遠(yuǎn)處，人眼在目鏡的像方焦平面上即可觀察到所成的像。目鏡的放大率在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，目鏡的放大率為：若目鏡的有較大的放大率，則目鏡的焦距會(huì)越小。望遠(yuǎn)目鏡焦距一般在10-30mm左右。目鏡的視場w目鏡的視場角w、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率、物鏡的視場角w'三者是相互共同決定的，由tanw',tanw得，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視放大率或者物鏡的視場角變大，都會(huì)使目鏡的視場角變大。若目鏡的視場角變大就會(huì)增大光學(xué)系統(tǒng)軸外像差和目鏡結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，最終影響望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像品質(zhì)。目鏡的出瞳直徑望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般接人眼使用，此時(shí)把目鏡出瞳作為人眼的入瞳，所以目鏡出瞳直徑大約為2-4mm。而在實(shí)際的儀器中為了提高它的精度，會(huì)使目鏡出瞳直徑小于2mm。目鏡工作距離目鏡的工作距離也就是望遠(yuǎn)物鏡的成像面到目鏡第一面的距離。物鏡產(chǎn)生的像面在物鏡焦像方平面上也就是目鏡的物方焦平面。有些望遠(yuǎn)鏡會(huì)安裝分化板成像，在考慮為了能夠讓特殊人群（近視眼、遠(yuǎn)視眼）都能使用，工作距離要大于視度的調(diào)整范圍。望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視度調(diào)整范圍為5視度，對(duì)焦距為f的目鏡，一個(gè)視度的調(diào)整量為：3.2目鏡像差特點(diǎn)目鏡的光學(xué)特性中，我們可以了解目鏡的光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)是視場大、焦距短、相對(duì)孔徑小，所以目鏡產(chǎn)生的軸上像差相對(duì)較小，很容易優(yōu)化球差、軸上色差即可達(dá)到要求，相比于軸上像差，我們優(yōu)化的重點(diǎn)是軸外像差。目鏡的視場角較大導(dǎo)致場曲、像散、慧差、垂軸色差、畸變都很嚴(yán)重，但在這幾種像差中，場曲比較難校正，不會(huì)刻意去校正場曲，另外目鏡一般接人眼模型，人眼視網(wǎng)膜調(diào)節(jié)，可以減小場曲對(duì)目鏡的影響。而且畸變并不會(huì)對(duì)最后的光學(xué)系統(tǒng)成像帶來影響，一般也不會(huì)完全校正，控制在一定范圍內(nèi)即可。目鏡的相對(duì)孔徑較小，慧差較容易控制。所以場曲、畸變、像散和垂軸色差才是我們設(shè)計(jì)目鏡重點(diǎn)考慮的像差。目鏡自身光學(xué)特性導(dǎo)致球差、垂軸色差不能全部校正，可以用物鏡像差去平衡補(bǔ)償。目鏡中的慧差也會(huì)出現(xiàn)上述情況不能全部校正，同樣利用物鏡的慧差去平衡補(bǔ)償。利用這種補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)望遠(yuǎn)目鏡和物鏡，雖然目鏡和物鏡都會(huì)出現(xiàn)一定的殘余像差，但整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在目鏡搭配物鏡后整體像差會(huì)比較小，整個(gè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到提高。3.3目鏡設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)目鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過光路可逆性按照反向光路進(jìn)行計(jì)算，這樣可使物面位于無限遠(yuǎn)處，目鏡對(duì)無限遠(yuǎn)的物面進(jìn)行成像，原系統(tǒng)的出瞳位置變?yōu)槿胪恢?。?duì)目鏡像差進(jìn)行優(yōu)化校正時(shí)，我們可以遵循幾個(gè)依據(jù)：某些鏡片曲率半徑對(duì)像差貢獻(xiàn)量較大，可以通過對(duì)此面的曲率半徑進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，以確定該曲面對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的影響。沒有像差的目鏡只是理想化,是不可能設(shè)計(jì)出的，最后的像差會(huì)有一個(gè)合理范圍。對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)與軸外點(diǎn)的像差不能有明顯的區(qū)別，要盡量使全視場內(nèi)的像質(zhì)均勻分布,即使有些系統(tǒng)不需要考慮到全視場，也要滿足0.707視場的像質(zhì)達(dá)到要求。為了使0.707視場內(nèi)成像質(zhì)量更好，我們可以忽略全視場處像差，因?yàn)樵谌晥龈浇某上駞^(qū)不是最主要區(qū)域，其成像質(zhì)量可以降低。利用透鏡位于系統(tǒng)中位置的像差性質(zhì)。比如，要改變目鏡的球差、慧差，可以通過改變光闌位置附近的透鏡達(dá)到目的；要改變目鏡的像散、畸變和垂軸色差，可以通過改變遠(yuǎn)離光闌位置附近的透鏡達(dá)到目的；可以通過場鏡來改變場曲。3.4本章小結(jié)本章主要講解波差法理論及利用波差法求解雙膠合物鏡過程，又闡述了望遠(yuǎn)物鏡的像差特點(diǎn)，目鏡的光學(xué)特性、像差特點(diǎn)、設(shè)計(jì)依據(jù)等。4用Zemax設(shè)計(jì)開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡4.1望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)4.1.1望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)測距望遠(yuǎn)鏡的望遠(yuǎn)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)物鏡、轉(zhuǎn)向棱鏡、目鏡組成。4.1.2技術(shù)指標(biāo)觀察距離：1500m；工作波長：可見光波段(F、D、C光)；放大倍數(shù)：6X；物鏡口徑：D=22mm；視場角：w6；出瞳距離：lz'16mm；系統(tǒng)總長：L90mm；成像質(zhì)量要求：波像差小于0.25λ；孔徑邊緣球差小于4；剩余球差小于6；色球差小于4；二級(jí)光譜色差小于；軸上視場MTF大于0.2；畸變小于6%，場曲小于0.25mm；垂軸色差小于10μm。（其中為焦深）4.1.3目鏡參數(shù)焦距視場角:出瞳距離：目鏡結(jié)構(gòu)型式:由于視場角較大，出瞳距離較長，選取凱涅爾式結(jié)構(gòu)的目鏡形式。在Zemax設(shè)計(jì)過程中為了優(yōu)化方便，我們需要把轉(zhuǎn)像棱鏡展開玻璃平板，插入到光路中，漸暈控制在小于0.45的范圍之內(nèi)，從而能滿足對(duì)觀察目標(biāo)處的亮度，再進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際加工對(duì)透鏡的邊緣厚度、中心厚度、曲率半徑要求再進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。下面為望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)表和結(jié)構(gòu)圖。4.2目鏡設(shè)計(jì)與像質(zhì)評(píng)價(jià)4.2.1目鏡設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以通過查詢《光學(xué)設(shè)計(jì)手冊》選擇合適的目鏡初始結(jié)構(gòu)。通過分析選取凱涅爾式結(jié)構(gòu)的目鏡形式，既能滿足較長的出瞳距離同時(shí)也能使各種像差達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目鏡系統(tǒng)利用光路可逆性反向設(shè)計(jì)「24,25,2G]。完成優(yōu)化后得到目鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表所示。為了分析望遠(yuǎn)系統(tǒng)整體成像質(zhì)量，把目鏡插入望遠(yuǎn)物鏡后面，望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)如圖4.6所示，采用近軸透鏡模擬人眼（相當(dāng)于曲率半徑為37mm的球面）。圖:望遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2.2像質(zhì)評(píng)價(jià)圖為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，MTF是光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)成像質(zhì)量較為全面判定的依據(jù)。根據(jù)人眼的衍射極限為w'60''，得出望遠(yuǎn)系統(tǒng)的最大空間頻率為:軸上視場的MTF值在249lp/mm時(shí)高于0.25，接近衍射極限，表明具有很好的成像品質(zhì)，滿足望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。圖:望遠(yuǎn)系統(tǒng)的MTF曲線4.3利用Zemax軟件公差分析概括公差分析可以合理地指出在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的缺陷，通過系統(tǒng)參數(shù)變化量對(duì)系統(tǒng)整體光學(xué)性能的影響，可以得到系統(tǒng)中的參數(shù)的允許的公差變化范圍。根據(jù)Zemax進(jìn)行公差分析后，光學(xué)性能還處于設(shè)計(jì)要求內(nèi)，得到的公差范圍就可以用于實(shí)際的加工制造中。4.4公差的制定原則對(duì)己經(jīng)優(yōu)化完成的光學(xué)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)加工之后的像質(zhì)能否達(dá)到初始性能指標(biāo)，與所給定的公差范圍是有密切聯(lián)系的。由光學(xué)系統(tǒng)給出公差范圍，可以提前估計(jì)加工之后光學(xué)系統(tǒng)的性能[[48]。光學(xué)系統(tǒng)公差大致分為三個(gè)部分:1.加工公差。在公差分析菜單中，加工公差即為光學(xué)元件表面面形參數(shù)工差，系統(tǒng)表面面形可以為球面與非球面面型。2.裝調(diào)公差。在公差分析菜單中，裝調(diào)公差即為光學(xué)元件的位置參數(shù)公差。一部分為一個(gè)光學(xué)元件中的兩個(gè)表面的位置公差，包括光學(xué)元件厚度公CTTHL)、傾斜公差(TSTX,TSDY)和偏心公差(TSDX,TSDY;另一部分為光學(xué)元件與光學(xué)元件的位置公差，包括間隔公差、光學(xué)元件本身的傾斜公差(TETX,TEDY)和偏心公差(TEDX,TEDY)。3.材料公差。在公差分析菜單中，材料公差為光學(xué)元件的折射率(TIND),色散系數(shù)(TABB)等公差。利用Zemax軟件進(jìn)行公差計(jì)算主要分為兩種模式，一種是基于響應(yīng)度的Sensitivity模式，另一種是基于像質(zhì)評(píng)價(jià)InverseSensitivity模式。兩種模式主要區(qū)別在，前者根據(jù)公差得出成像質(zhì)量的變化，后者根據(jù)成像質(zhì)量的變化量得出公差范圍。公差分析主要通過四種方法來判斷，可根據(jù)MTF,RMSWavefront,EncircledEnergy和RMSSpotRadius來評(píng)價(jià)像質(zhì)，因?yàn)楸疚脑诎l(fā)射、接收系統(tǒng)公差分析時(shí)對(duì)MTF變化范圍有設(shè)計(jì)要求，另外MTF是比較常用的評(píng)價(jià)像質(zhì)的方法，所以本文對(duì)激光測距發(fā)射、接收系統(tǒng)公差分析選擇MTF評(píng)價(jià)方法，利用發(fā)射、接收系統(tǒng)的MTF的變化范圍來判斷。通過以上介紹，本文所設(shè)計(jì)激光發(fā)射和接收成像光學(xué)系統(tǒng)，我們采取Sensitivity模式、MTF對(duì)進(jìn)行公差分析計(jì)算。4.5利用Zemax軟件對(duì)激光測距成像系統(tǒng)進(jìn)行目鏡設(shè)計(jì)利用Zemax軟件對(duì)激光測距成像系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)只是理論加工之后的結(jié)果，但在實(shí)際加工和組裝過程中誤差是不可避免的，所以只考慮用Zemax軟件設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)與實(shí)際組裝之后的樣品性能對(duì)比還有一定的差距，加工成實(shí)物是進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終目的，機(jī)械加工制造和裝調(diào)需要有一定的公差。預(yù)留合適的公差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)淖饔檬翘岣哂杉庸す顚?dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量及性能的下降。完成激光測距成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)激光測距成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，選擇滿足要求的激光器與接收探測器。進(jìn)一步確定出激光發(fā)射系統(tǒng)的入瞳直徑D、焦距f、數(shù)值孔徑NA，接收系統(tǒng)的入瞳直徑D、焦距f、視場角、等參數(shù)。為了提高測距范圍和測距精度，需要對(duì)激光發(fā)射系統(tǒng)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后發(fā)散角小于Smrad;激光發(fā)射系統(tǒng)能量相對(duì)較為集中，發(fā)射系統(tǒng)在不同視場的斯特列爾(Strehl比為0.963，接近于1;全視場最大波像差0.111,，小于0.25,,MTF曲線達(dá)到衍射極限，成像質(zhì)量良好。激光接收系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，MTF曲線與衍射極限接近，在最大空間頻率1001p/mm處的MTF大于0.45，距離APD的接收面中心為6m處的能量達(dá)到總能量的90%以上，激光可以較好地會(huì)聚，能量較為集中。開普勒望遠(yuǎn)鏡如圖：從天體射來的平行光線，經(jīng)物鏡后，在焦點(diǎn)以外距焦點(diǎn)很近處成一倒立縮小實(shí)像a′b′．目鏡的前焦點(diǎn)和物鏡的焦點(diǎn)是重合的，所以實(shí)像a′b′位于目鏡和它的焦點(diǎn)之間距焦點(diǎn)很近的地方，目鏡以a′b′為物形成放大的虛像ab．當(dāng)我們對(duì)著目鏡觀察時(shí)，進(jìn)入眼睛的光線就好像是從ab射來的．顯然，圖中ab的視角β遠(yuǎn)大于直接用眼睛觀察天體的視角a，所以，從望遠(yuǎn)鏡中看到的天體使人覺得離自己近看得更清楚．測試曲率的方法:

一開始可用Ronchitest測鏡面和目標(biāo)球面相差多少,再改變工具和鏡子的位置,或是位移的大小來修正.最后用W型磨法拋物面化后(拋物面化只要約半小時(shí),因球面和拋物面相差甚少),可用Foucaulttest測其拋物面化的程度.

以口徑32cm的鏡片為例,主鏡研磨和拋光的過程,研磨需約27個(gè)程序(46磨粉-3次,80磨粉-9次,120-7,240-2,500-2,1000-2,2500-2),拋光約20個(gè)程序,各需18到20個(gè)小時(shí),因此實(shí)際的磨鏡時(shí)數(shù)近40個(gè)小時(shí)可完成(不包含所有準(zhǔn)備與清潔時(shí)間).鏡面可能會(huì)有幾處刮痕,但應(yīng)不影響未來的整體表現(xiàn).整體鏡面的誤差可用Foucaulttest的軟體來計(jì)算,一般若控制在1/8個(gè)可見光波長以下,已算是非常優(yōu)良的表現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)可達(dá)到1/20個(gè)可見光波長的準(zhǔn)確度約為25奈米.之后主鏡鏡面蒸鍍時(shí),鍍鋁約100~200nm兩層,和一層二氧化硅作為保護(hù).瀝青工具的校準(zhǔn):

隔一兩天以上重新要磨之前都需要再校準(zhǔn)工具的曲率,把工具放到熱水加熱,再用人的重量壓20分鐘.但施壓的人不可左右晃動(dòng),否則工具的邊緣曲率會(huì)太大超過預(yù)期,這樣拋光的時(shí)候,邊緣會(huì)接觸不到,只有鏡子中央被拋光.

考慮到激光測距成像系統(tǒng)的加工和裝調(diào)，需對(duì)激光發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，在公差范圍內(nèi)成像質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。利用Tracepro光學(xué)仿真軟件對(duì)激光發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡，找出發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生雜散光的表面，并對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行簡單的消除雜散光設(shè)計(jì)，包括添加光闌、螺紋結(jié)構(gòu)，最后評(píng)價(jià)了對(duì)系統(tǒng)的消雜散光能力。利用Zemax加入轉(zhuǎn)像棱鏡進(jìn)行整體優(yōu)化，由于雙膠合物鏡加入另一塊轉(zhuǎn)像棱鏡需要作為激光測距接收部分共用，優(yōu)化過程要進(jìn)行多重結(jié)構(gòu)優(yōu)化，雙膠合物鏡的入瞳口徑、焦距、視場角根據(jù)望遠(yuǎn)與接收性能共同決定。參考文獻(xiàn)[1]杜寶勛.半導(dǎo)體激光器原理[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2004.[2]高林奎,宋瑋.激光測距.(第一版)[M].北京:人民鐵道出版社,1977,103-119.[3]魏學(xué)峰.手持式激光測距儀中高精度測相技術(shù)的研究[D].國防科技大學(xué).2007.[4]夏麗英,陳黎敏.手持激光測距儀的光路設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息,2009,12(12):19-22.[5]李瑋.激光通信測距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J].激光與紅外,2013,08(8):864-866.[6]黃德修,劉雪峰.半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.[7]林盈侃,郭穎,黃庚華等.激光測距儀距離模擬源技術(shù)研究與精度分析[J].紅外與激光工程,2009,06(6):1089-1093.[8]頓雄,金偉其,王霞.大相對(duì)孔徑超緊湊型紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,06(6):204-209.[9]馮愛明,張?jiān)谛?余向東等.低值LD激光測距望遠(yuǎn)鏡[J].物理實(shí)驗(yàn),2003,08(8):24-27.[10]王立軍,寧永強(qiáng),秦莉等.大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2015,01(1):1-19.[11]張晨鐘.波差法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)[D].長春理工大學(xué),2002.[12]馬蘭.大倍率大口徑觀光望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長春理工大學(xué),2009.[13]李曉彤.幾何光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)[M].浙江:浙江大學(xué)出版社,1997.[14]黃雷,胡雯雯,楊志文.寬光譜、長焦距準(zhǔn)直物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2007,36(z2):125-127.[15]閆佩佩,樊學(xué)武,鄒剛毅等.用于可見光波段的折/衍混合復(fù)消色差長焦物鏡設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2010,09(9):102-106.[16]霍肖鑫.變倍