应用光学课程设计

光学课程设计报告

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目录

光学课程设计任务 (3)

望远镜物镜外型尺寸计算 (4)

物镜的选型及结构参数的确定 (8)

物镜的象差计算及象差容限 (13)

物镜的象差校正方法 (14)

物镜象差校正结果和象差曲线 (14)

目镜的外型尺寸计算 (21)

目镜需校象差和象差容限 (25)

目镜的象差校正方法 (26)

目镜的象差校正结果和象差曲线 (27)

望远系统最终结构参数 (34)

望远镜系统图 (37)

设计心得 (39)

光学课程设计任务

一、设计目的

1、重点掌握设计光学系统的思路。初步掌握简单的、典型的系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘制、光学零件技术要求等。

2、在熟练掌握基本理论知识的基础上，通过上机实训，锻炼自己的动手能力。在摸索的过程中，进一步培养优化数据的能力和理论联系实际的能力。

3、巩固和消化应用光学和本课程中所学的知识，牢固掌握典型光学系统的特点，并初步接触以后可能用到的光学系统，为学习专业课打下好的基础。

二、设计题目

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

三、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、视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离不小于14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm；

6、筒长约为110mm左右；

望远镜外型尺寸计算

计算整体外形尺寸

1、求1'f ，2'f

1'4430mm 120mm f D =?=?=

12

''20mm f f ==Γ

2、求'D

'5mm D

D ==Γ

3、求分划板直径

1'2'tan (2120tan4)mm 16.7824mm D f w ==??=分 4、求目镜视场 'w 2

tan 'tan 6tan 40.41962'45.522

w w w =Γ?=?==

5、棱镜的展开 L D K==2

棱镜等效为空气平板后厚度 L

d D

=

在设计时，下半部分的光用目镜的通光口径来拦掉，上

半部分的光用棱镜的最后一面来拦掉。等效光路如下图：

上图中，s 为棱镜最后一面到分划板的距离。

若取s 14mm,8.278mm,216.574mm h D h ==== 平板厚度33.15mm L KD ==

取33.5mm L =（由于加工限制，实际取值时应比33.15稍大）

则等效空气平板厚度 22.1mm L

d n

==

若两棱镜间的距离取2mm b = 则 1'259.8mm c f s b d =---= 下面验证其合理性： 由右图中的比例关系可知：

8.287120'

15120'53.7mm

c c -=?=

其中，'c 为极限值

本题所求'c c ≥ ，故满足题意 6、求目镜的通光口径

12'[('')tan ]222.0795mm 4D

D f f w =++?=目

下面验证其合理性： 由下图中的关系几何可知：

2'(59.821420)mm 91.8mm c b a f -++=-++=

由于目镜和物镜是有厚度的，厚度约为7-8 mm ,故91.8mm 28mm 107.8mm +?=，在110mm 左右，符合

题意。

物镜的选型及结构参数的确定

一、选型

1/,120mm 4

D f f ''==，视场为8°，视场角不大，轴

外像差不大，相对孔径亦不大，故选择双胶合物镜。

二、初始结构参数的求解

1、求,,z h h J

15mm

20

15'0.125

120'tan 120tan(4)mm 8.3912mm

'''0.1258.3912 1.0489

z D h h h u f y f w J n u y ======'=-=-?-===?=

2、计算平行平板像差

2432

2

15mm

20

0.125,40.06980.5584233.5mm 67mm 1.5163,64.1

10.006096

0.003404

(1)0.003667z z z

p z

p p p D

h h u rad u rad u u

d n v n S d u n u S S u

d n C u v n

I II I I =====-=-=-=?===-=-=-=?=-=-=-

3、物镜像差

思路：物镜像差和棱镜的初级像差补偿，等值反号。

0.006096,0.003404,0.003667S S C I II I ==-=

应用PW 法：

⑴根据C I 求C ，并规划成C

22

0.003667

1200.001956(15)

C C h φI =

=?= ⑵根据,S S I II 求P 、W

0.006096

0.0004064

15

0.003404

0.0032453

1.0489

z S S hP P h S S h P Jw w J I I II II =?====+?==-=- ⑶将P 、W 规化成P 、W

33

22

0.0004064

0.20808()(0.125)

W 0.0032453

0.2077(0.125)

P P h W h φφ======（） ⑷物本身位于无穷远，则

0.20808,0.2077P P W

W ∞

∞

====

⑸求0P

首先确定冕牌在前，还是火石在前 冕牌在前，00.1W =

2

000.85()0.19822P P W W ∞

∞

=-+=

火石在前，00.2W =

2

00

0.85()0.20803P P W W ∞

∞

=-+=

4、查表，选玻璃

经过查阅《光学设计手册》，我选用了F2-K9玻璃对，初始数据为：

6128.11=n 2 1.5163n = 0.002C I =

00.225074P = 0 5.223186Q = 00.215989W =-

1 1.182699φ=-

5、初始结构的计算：

0Q Q =±

由于根号内小于零，故 0 5.223186Q Q ==

0' 5.2281495w w Q Q k

∞-=-= 取平均值，得：+Q'

=5.2256682

Q Q = 故可得：

11

112121322Q 2.112977

1

Q 4.042969

1

Q 0.184610

1

1

n n n n n φρρφφρ=+=-=+==+-=---

求解各曲率半径：

11

22

33

'

56.792mm '

29.68mm '

650.019mm

f r f r f r ρρρ===

==

=-

透镜厚度：2

2

2??

?

??-±=D r r x （r 正取+，负取-）

由以上数据可得：

(

)

()112221*********

22223x 2.017mm

x 4.07mm

8 4.64mm

10

2.59mm x 0.173mm 3 1.73mm

10

5.97mm

r r D x x t d t x x r D x x t d t x x =-==-=+-?=

==-+==+

=--+?=

==++=

经计算，得知透镜组合为先凹后凸，即火石玻璃F2为凹透镜，冕牌玻璃K9为凸透镜。

物镜像差容限的计算

一、 所需校正的像差：

望远物镜的特点是：相对孔径小，视场角不大。因此望远物镜的结构通常较为简单，要校正的像差也比较少。一般主要校正球差、正弦差和轴向色差。

二、像差容限：

（1）球差容限：

1H δ≤ 1倍焦深；

0.707H δ≤ 6倍焦深

1倍焦深的计算：

22

589.29nm

0.0377mm 'sin '

10.125

m n U λ

=

=? （2）弧矢彗差的像差容限：

理论上说，像差容限在0.0025mm ~0.00025mm 之间。

实际上，全孔径在0.0025 ?8.3912

≈ 0.021mm 之内即可。

（3）轴向色差的像差容限：

应使零孔径和全孔径的轴向色差绝对值相等。在实际调校时，只需看0.707孔径的轴向色差校正到近乎为0即可。但实际上高级像差是存在的。

三、 物镜的调校要求

物镜除了像差要求外还应满足的要求： （1）有效焦距在119.5mm~120.5mm 之间。

（2）后截距应大于14mm 。为满足这一要求，可适当调节c 值，将其改小一点，其改变同a 值b 值的改变一样，对像差

无影响。