应用光学课程设计---双筒棱镜望远镜设计
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应用光学课程设计
一、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)
二、本课程设计的目的和要求
1、综合运用课程的基本理论知识,进一步培养理论联系实际的能力和独立工作的能力。
2、初步掌握简单的、典型的、与新型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。
3、巩固和消化课程中所学的知识,初步了解新型光学系统的特点,为学习专业课与进行毕业设计打下好的基础。
三、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r= 6倍;
2、物镜的相对孔径D/f丄1: 4(D为入瞳直径,D = 30mm);
3、望远镜的视场角2宀=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。
& lz '〜810mm
四、设计报告撰写内容
本课程设计要求以设计报告形式完成以下工作:
1 、认真学习相关像差理论和光学设计知识,做好笔记,完成例题作业并上交;
2、根据所讲内容进行本设计具体参数以及结构形式的选择,说明选择理论依据;
3、进行本设计的外形尺寸计算,要求写明计算过程;
4、使用PW 法进行初始结构参数r、d、n 的求解,要求写明计算过程;
5、计算本设计的像差容限,使用Tcos软件完成设计的模拟和计算,手工修改结构参数进行像差的校正;
6、绘制相应的像差曲线图和计算数据报表;
7、写出本次课程设计的心得体会。
第5章望远系统设计范例
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)
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6倍;
2、物镜的相对孔径D/f丄1: 4 (D为入瞳直径,D = 30mm);
3、望远镜的视场角2宀=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。
& lz '〜810mm
我们的工作将按照以下步骤进行:
1、系统外形尺寸的计算:根据需求确定像差,选型;
2、使用PW法进行初始结构的计算:确定系统的r、d、n;
3、像差的校正:通过修改r、d、n,调整像差至容限之内;
4、进行像质评价,总结数据图表,完成设计。
F面我们将根据以上步骤来示范本次设计
第一部分:外形尺寸计算
一、各类尺寸计算
1、计算f o '和f e '
由技术要求有:D f ' 1,又D 30mm,所以f o' 120mm。又放大率6倍,所以f e' fo/6 20mm。
2、计算D出
3、 计算D 视场
D 视场 2f °'tg
2 120 tg4° 16.7824 mm
4、 计算’(目镜视场)
tg tg '
' 45°
5、 计算棱镜通光口径D 棱
(将棱镜展开为平行平板,理论略)
该望远系统采用普罗I 型棱镜转像,普罗I 型棱镜如下图:
问题:如何考虑渐晕?
我们还是采取50%渐晕,但是拦掉哪一部分光呢?
拦掉下半部分光对成像质量没有改善(对称结构,只能使光能减少) ,所以
我们选择上下边缘各拦掉 25%的光,保留中间的50%。即保留中间像质好的, 去掉边缘
像质不好的。
下半的25%由目镜拦掉,上半的25%由棱镜拦掉,只留下中间的50%。 如图:
D
目
D
□工匸
物
尹
k
Q D 物 30 D 出
30 6
5mm
14mm即可,我取14mm。
D棱
D棱16.574mm,-棱8.287mm。
所以展开厚度L 2D棱33.15mm,因为装配需要,取L 33.5mm,空气平
— I
板的长度d — 22.1mm。即n
物镜距棱镜第一面为59.8mm。
验算:取59.8mm会不会挡轴上点的光?
如图求得极限距离为53.7mm,若小于此距离时候棱镜档光,取59.8是可以的意义:说明之前取后截距14mm,但是不能取得太大,否则棱镜离物镜太近了
会挡光!
6求目镜口径D目
D目无渐晕时候,D目2
f o' f e'tg字,现在有25%的渐晕,所以
移出梯形后计算:D视D棱120
,此处后截距取大于又D物30mm,D视场16.7824mm,所以有
巧』4
D 2 f
o' f
e'
tg
弓
22^8mm。(因为貧)
7、总体结构
总尺寸L 59.8 2 14 20 10 10 91.8 20 111.8 110mm
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:D/ f' 1: 4,2 8o,f' 120mm
目镜:f 20mm 2 45.5°,D出5mm,l z 8 ~ 10mm
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:望远镜:孔径大,视场小,所以轴外像差小,只需要校正轴上点像差。两种轴上点像差:球差、位置色差。与孔径相关。
其余轴外像差:与视场相关,但慧差与孔径和视场都相关,所以也要考虑慧差所以:
对于物镜:校正球差、位置色差、慧差(可用正弦差代替)
对目镜:大视场,小孔径。要校正:像散、场曲、畸变、慧差、倍率色差。选择:物镜一双胶合;目镜一凯涅耳目镜。
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100m m。双胶合物镜能适应的视场角不超过10°。