10倍的双目望远镜_光学设计-

设计一个8倍的双目望远镜

设计题目要求：

设计一个8倍的双目望远镜，其设计要求如下：

全视场：2ω=5o； 出瞳直径：D ′=5mm ； 出瞳距离：l z ′=20mm ； 分辨率：α=6"；(R=5") 渐晕系数：K =0.64；

棱镜的出射面与分划板之间的距离：a =10mm ； 棱镜：o 60-LJ D 屋脊棱镜；L=2.646D 材料：K10； 目镜：2-35

一、目镜的计算

目镜是显微系统和望远系统非常重要的一个组成部分，但目镜本身一般并不需要设计，当系统需要使用目镜时，只要根据技术要求进行相应类型的选取即可。

1、首先根据已知的视觉放大倍数Γ及视场2ω，求出2'ω

'

1159)(22tg ?=?Γ='??'=Γωωωωtg arctg tg

2、因为目镜有负畸变（3%~5%），所以实际应取：

'962%5)(2)(22?=??Γ+?Γ='ωωωtg arctg tg arctg

3、根据实际所需要的2'ω数值。出瞳直径值及镜目距值等，来选择合适的目镜类型。在本次设计中所需的目镜的结构形式应该作为已知条件给出，如：目镜2-35。

图2-1

目镜2-35（结构图见2-1）

此外设计手册中还提供有相关的结构数据参数表2-1及主要的系统数据； 表2-1

0.6,298.7,502,00.25==?==''d s f f ω等。

从图2-2中我们不难发现该目镜的出瞳位于整个系统的左侧，而在目镜的实际运用中，出瞳应位于系统右侧。此种情况相当于将目镜倒置，故而它所给出的298.7='f s 我们不能直接加以运用，这里f s '是指F '与目镜最后一面之间的距离。 4、将手册中给的目镜倒置：

由于将目镜倒置，则目镜的数据将发生一定的变化，以目镜2-35为例，原来的第一个

折射面（650.1081=r ）变为第八个面（650.1088=r ），原来的第二个折射面

（31.332-=r ）变为第七个折射面（31.337-=r ）……，以此类推。值得注意的是：不但折射面的次序发生变化，与此同时其半径的符号也将发生相应的改变，原来为正，则现在为负。倒置后的新的数据如下表2-2所示：

5、进行追迹光线，求出倒置后的f s ：

追迹过程:用MATLAB编写程序如下

l=100000000000;

u=0;

y=5;

r=[-33.310 24.910 -24.910 41.72 -21.810 -108.650 33.310 -108.650]; d=[2.5 13.5 0.2 11.5 2 0.2 6]；

n=[1 1.6199 1.5163 1 1.5163 1.6199 1 1.5163 1];

len=length(r);

for j=1:len

fprintf('%d surface :\n',j);

if l>=10000000000

u=0;

if r(j)==0

continue;

else

i=y/r(j);

i2=i*n(j)/n(j+1);

u2=i+u-i2;

l2=i2*r(j)/u2+r(j);

end

else

if r(j)==0

i=-u;

i2=i*n(j)/n(j+1);

u2=-i2;

l2=l*u/u2;

else

i=u*(l-r(j))/r(j);

i2=i*n(j)/n(j+1);

u2=i+u-i2;

l2=i2*r(j)/u2+r(j);

end

end

fprintf('l=%f,u=%f,i=%f,i2=%f,u2=%f,l2=%f\n',l,u,i,i2,u2,l2); if length(d)>=j l=l2-d(j); else l=l2;

fprintf('finished:Sf=%f',l); end u=u2; end

追迹结果:

1 surface :

l=100000000000.000000,u=0.000000,i=-0.300210,i2=-0.185326,u2=-0.114884,l2=-87.044473 2 surface :

l=-89.544473,u=-0.114884,i=0.527859,i2=0.563924,u2=-0.150949,l2=-68.150078 3 surface :

l=-81.650078,u=-0.150949,i=-0.343833,i2=-0.521354,u2=0.026572,l2=463.842376 4 surface :

l=463.642376,u=0.026572,i=0.268724,i2=0.177223,u2=0.118072,l2=104.340746 5 surface :

l=92.840746,u=0.118072,i=-0.620680,i2=-0.580985,u2=0.078377,l2=139.861723 6 surface :

l=137.861723,u=0.078377,i=-0.177826,i2=-0.288060,u2=0.188611,l2=57.288022 7 surface :

l=57.088022,u=0.188611,i=0.134638,i2=0.088794,u2=0.234455,l2=45.925301 8 surface :

l=39.925301,u=0.234455,i=-0.320609,i2=-0.486140,u2=0.399985,l2=23.402553 finished:Lf=23.402553

得到目镜倒置后的f s 值为23.402553=f S （指焦点F 与目镜最后一面的距离，也即指当平行光入射目镜系统是追迹光路中的最后一个面的像距l '值）。

6、计算出瞳距p '：

望远系统的简单结构图如下所示：

图2-2

由于一般情况下望远系统的孔径光阑是物镜的边框，则根据出瞳的定义：孔径光阑经后面的光学系统在像空间所成的像是出瞳，如上图所示。则有：

1f x '≈ f s p x -'='

公式中的x x ',分别是指计算出瞳位置时的物距和像距。则根据牛顿公式f f x x '='有：

Γ

'+='??Γ'=

-'??'-=-''

-222

21)()(f s p f s p f s p f f f f 根据所求得的出瞳距p '=25.902553，与题目要求的出瞳距值进行比较。发现二者比较接近，则认为所选择的目镜基本满足要求，从而最后确定了目镜的结构类型。

二、选择物镜的结构形式以及一些主要数据 1、根据目镜焦距2f '求取物镜焦距1f '：

'1f ='2f ?Γ=25.00x10=250

2、求物镜的视场2ω：从题意中得出。 2ω=5o

3、求物镜的通光孔径：

Γ?'=??'=ΓD D D D

求得D=50mm

公式中的d D ='（是题中所给出的出瞳直径值） 4、 求取物镜的相对孔径f D '：

D/f '=50/200=0.25mm

5、根据题目所给出的视场大小及相对孔径的大小选择物镜所需的结构形式。在本次系统设计中由于所设计的系统的视场不大，相对孔径也不大，故可选用双胶合物镜。双胶合物镜的结构形式如下图2-3所示：

图2-3

6、物镜设计

选择K9（51630.1=n ，1.64=ν）和 F5（62420.1=n , 9.35=ν）作为材料 求得：

0156006.01=? 008162145

.02-=? 使正透镜厚度 d=6mm 负透镜厚度 d=3mm. 使r 1= -r 2

2

1

11111r n r n -+-=

?

得 21r r -==66.19mm 32

22211r n r n -+-=

?

得 1616.4923-=r mm.

三、计算分划板 1、计算分划板直径：

12tg f D '?=ω分=17.46mm

2、

查表求取分划板厚度分d 及其公差值。 所求的厚度及公差值为2±0.3

3、求鉴别率α：

02

2

1121=++=υ?υ????

D

α

=

14''

求的α=8.2"

四、计算棱镜

由于开普勒望远镜系统成倒像，故尚需在整个系统中加入一转像系统，在本次设计中，我们加入的是棱镜转像系统。棱镜转像系统应置于物镜的像平面附近，为了不使棱镜上的疵病反映到物镜中，还要使棱镜离开像平面一定距离，即题中所给出的a 值（棱镜出射面与分划板的距离）。如果无特殊要求，棱镜的位置应位于横向尺寸最小的地方。

1、棱镜的选择

本课程设计中棱镜的类型及所用光材已作为已知条件给出。而各种常见的棱镜结构示意图位于《光学仪器设计手册》上册P83页的图表中，此外在图标中还标明了棱镜各参数的数值大小。

D屋脊棱镜；L=2.646D

本设计中棱镜的类型采用的是

o

LJ

60

-

图2-4

2、棱镜的展开：

图2-5

,展开长度: L=2.646D ，d 是棱镜的等效空气平板厚度, K=0.64 是渐晕系数; a =10mm 棱镜的出射面与分划板之间的

距离

02908.02'

1

3

1=-=

f D KD t

g α

αtg d a D D ）（23++=

n

D n L

d 646.2==

棱镜材料选择K9,n=1.5163.由上述可求得：

mm L 1303105.53=

mm d 039445.35=

mm d a f 960555.204t '

1=--=

mm tg a D D p 0416.18232=??+=α

mm tg d D D p p 079482.20221=??+=α

mm n

L l 050828.33)1

1('=-

=?

五、10倍双目望远镜光学系统结构

通过以上分析，初步确定系统结构形式如下图所示：

最终计算结果：

目镜：f’=25mm ω'2=962'?

镜目距: P ’=25.902553mm

物镜：f’=250mm 2ω=5o D=50mm 分划板：

D=16.35mm

棱镜: D

1=079482

.

20mm D2=0416

.

18mm L=1303105

.

53mm

物镜到棱镜第一面距离：t=204.960555mm

通过以上分析，初步确定系统结构形式如下图所示：

图7 10倍双目望远镜光学系统结构简图

六、设计总结

此次光学设计我感受颇多，真正感受到自己知识的不足，以前听课时记得很熟的东西，已经记不起多少了，基本的问题还好解决，但是难度大一些的问题，就只能查找答案了，光学系统的设计一定要根据参数选择合适的棱镜组合方案，根据数据求出每一个量。每一个数据要尽量准确，在作图时要标明数据和器件名称，另外设计的格式也很重要。在做光学设计的过程中，我体会到了用所学知识解决实际问题的成就感，也认识到了自己不足的

地方。很多问题都是在同学之间的讨论中解决的，这也增加了大家对设计的理解。