光学课程设计

二、望远物镜设计

一般用的望远物镜采用折反式，分为四种：双胶合、双分离、三片型（Triplet）、摄远物镜。下面分别对这四种物镜进行分析，并给出简要设计过程。

1、双胶合物镜

双胶合物镜的特点是结构简单，制造和装配方便，光能损失小。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。

下面简要介绍一下用初级像差求取双胶合物镜的初始结构，大概分三步：基本像差参量的确定、玻璃的选择、结构参数的求解。

双胶合薄透镜组的结构参数包括三个折射球面的曲率半径、两种玻璃材料的折射率和平均色散。因为初级像差理论求解初始结构时，将像差参数进行归一化，归一化后只考虑内部参数，而与外部参数（物距、焦距、视场角、相对孔径）无关，所以如果考虑用双胶合的话（合适的情况下），直接用像差公式计算。

题目要求：物镜焦距为200mm，半视场角为4°，相对孔径为1：5，系统总的视放大率为6倍，出瞳距离为20mm

确定基本像差参量根据设计要求，设像差的初级量为零，则按球差、正弦差和位置色差的初级像差表达式，得

选择玻璃：由于K9玻璃性能好和熔炼成本低，应优先选用。可选它和ZF2玻璃组合，当然有一个求解玻璃系数过程，这里不想说了。

求归一化条件下的透镜各面的曲率

向厚透镜过渡光学系统初始计算得到结果以后，必定要把薄透镜变换成厚透镜

外径的确定D=40

光学零件的中心厚度及最小厚度的确定有两种方法，其一是查表；另外一种方法，为了使透镜在加工过程中不易变形，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系。

根据公式（具体公式略了）可得，凸透镜最小边缘厚度为2.8978mm，最小中心厚度为7.23845mm，凹透镜最小边缘厚度5.555571mm，最小中心厚度3.86106mm。在最小中心厚度基础上，根据工艺条件，可适当加厚些。

结构图如下：

2、双分离物镜

与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度。正负透镜间的间隙也可以作为校正像差的参量，促使带球差减小。因此，双分离物镜比双胶合物镜所适应的孔径略大。但是，这种物镜的装配和校正较麻烦，有较大的色球差。它所适应的孔径和视场同

于双胶合物镜。

其初始结构的求解也是分三步：基本像差参量的确定、玻璃的选择、结构参数的求解。

根据设计要求初级球差、正弦差和位置色差为零，即

选正负玻璃分别为K9和F2，代入折射率和阿贝数，可求得

根据公式（具体公式略了）可得，凸透镜最小边缘厚度为2.8978mm，最小中心厚度为7.23845mm，凹透镜最小边缘厚度5.555571mm，最小中心厚度3.86106mm。在最小中心厚度基础上，根据工艺条件，可适当加厚些。

结构图如下：

3、三片型物镜

这种结构形式校正像差的参数增多了。物镜由一个胶合透镜组和一个单片透镜组成。由于光焦度由两组负担，胶合面的曲率半径有所增大，它有利于高级球差和色球差的校正，适合的相对孔径可以加大。这种物镜装配和校正工艺较复杂，成本提高。其次，由于面数增多，光能损失也有所增加。

三片型物镜有双胶合+单透镜、单透镜+双胶合、单透镜+单透镜+单透镜等，下面介绍双胶合+单透镜三片型物镜，给出设计过程。依然分三步：基本像差参量的确定、玻璃的选择、结构参数的求解。

根据设计要求，设像差的初级量为零，则按球差、正弦差和位置色差的初级像差表达式，得

选择玻璃，双胶合选用K9、ZF5组合，单透镜用K9

经计算各面参数如下：

过渡到厚透镜，取物镜口径D=40mm，根据公式（具体公式略了）可得，凸透镜最小边缘厚度为2.8978mm，最小中心厚度为7.23845mm，凹透镜最小边缘厚度5.555571mm，最小中心厚度3.86106mm。在最小中心厚度基础上，根据工艺条件，可适当加厚些。

结构图如下：