文档介绍：光学课程设计报告
姓名:俞宝清
学号:U200813182
班级:光信0803班
学校:华中科技大学
目录
设计任务与要求 3
设计步骤 4
一、外形尺寸计算 4
二、光学系统选型 6
三、物镜的设计 7
1、用PW法计算双胶合物镜初始结构: 7
(1)求,, 7
(2)求平板像差 7
(3)求物镜像差 7
(4)计算P,W 8
(5)归一化处理 8
(6)选玻璃 8
(7)求形状系数Q 9
(8)求归一化条件下透镜各面的曲率 9
(9)求薄透镜各面的球面半径 9
(10)求厚透镜各面的球面半径 9
2、物镜像差容限的计算 10
3、物镜像差校正 11
4、物镜像差曲线 13
四、目镜的设计 14
1、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构 14
(1)接目镜的相关参数计算 14
(2)场镜的相关参数计算 15
2、目镜像差容限的计算 16
3、目镜像差校正 17
4、目镜像差曲线 20
五、光瞳衔接与像质评价 20
1、光瞳衔接 20
2、像质评价 21
3、总体设计评价 21
学习体会 22
附:零件图与系统图 24
设计任务与要求
设计题目:双筒棱镜望远镜设计
设计技术要求:双筒棱镜望远镜设计,采用普罗I型棱镜转像,系统要求为:
1、望远镜的放大率Γ=6倍;
2、物镜的相对孔径D/f′=1:4(D为入瞳直径,D=30mm);
3、望远镜的视场角2ω=8°;
4、仪器总长度在110mm左右,视场边缘允许50%的渐晕;
5、棱镜最后一面到分划板的距离>=14mm,棱镜采用K9玻璃,两棱镜间隔为2~5mm。
6、lz ′>8~10mm
设计步骤
一、外形尺寸计算
由入瞳直径及相对孔径,可得:
物镜焦距
由,知:
出瞳直径
目镜焦距
由物方视场,可得:
目镜通光口径
分划板直径
分划板半径
又由:,可得:
像方视场
该望远系统采用普罗I型棱镜转像,普罗I型棱镜如下图:
普罗I型棱镜
将普罗I型棱镜展开,等效为两块平板,如下图:
棱镜展开图
由设计要求:视场边缘允许50%的渐晕,可利用分划板拦去透镜下部25%的光,利用平板拦去透镜上部的25%的光,这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统,使像质较好。在上图中截取平板拦光部分的梯形进行研究,如下图,可得比例关系:
h
120
其中为第二块平板的后表面到
分划板的距离,根据要求,可取
。
解得:
由此可得:
等效平板厚度
所以棱镜展开的实际厚度:
考虑到棱镜的装配,取
因此,等效空气平板厚度
考虑到棱镜通光口径有限,因此需考虑到全孔径全视场的光线要能通过棱镜的第一个面(如下图),则物镜到第一个棱镜前表面的最小距离必须满足:
其中为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。
代入数据,得:
解得:
因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离c满足:
其中为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离,根据要求,取
由知,设计满足实际棱镜通光口径的限制。
二、光学系统选型
根据设计技术要求与外形尺寸计算结果:
物镜:,,
目镜:,,
查阅相关光学手册,可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。相关的结构特点,像差特性和光学性能如下:
双胶合望远物镜(图1)的特点是结构简单,制造和装配方便,光能损失较小。玻璃选择得当,可以同时校正球差,正弦差和色差。当高级球差得到平衡时,胶合面的曲率较大,剩余的带球差偏大。因而,双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。常见的孔径如表所示。考虑到胶合面有脱胶的概率,双胶合物镜的口径不宜过大,最大口径为100mm。双胶合物镜能适应的视场角不超过。
焦距/mm
50
100
150
200
300
500
1000
相对孔径
1:3
1:5
1:4
1:5
1:6
1:8
1:10
表1 望远物镜通用的相对孔径
凯涅尔目镜(图2)是在冉斯登目镜基础上发展起来的,它把接目镜改成了双胶镜。增加一个胶合面变数用来校正倍率色差,且在校正倍率色差的同时可以把场镜和接目镜的间隔进一步减小,从而取得结构缩短,场曲减小的效果。凯涅尔目镜的成像质量优于冉斯登目镜,它能适用的视场也大于冉斯登目镜。
凯涅尔目镜的光学性能是:视场,相对镜目距。
图1 双胶合物镜的光学结构
图2 凯涅尔目镜的光学结构
三、物镜的设计
1、用PW法计算双胶合物镜初始结构:
(1)求,,
入瞳半径
第二近轴光线在入瞳的入射高度
拉赫不变量
(2)求平板像差
其中:
(3)求物镜像差
物镜像差要与平板像差以前校正,因此物镜与平板相应的像差之和应为零:
(4)计算P,W
由,
得,