应用光学课程设计(24页).doc
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1、-应用光学课程设计-第 23 页光学课程设计报告姓 名: 班 级:学 号: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
2、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6倍;2、物镜的相对孔径D/f1:4(D为入瞳直径,D30mm);3、望远镜的视场角28;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
3、用K9玻璃,两棱镜间隔为25mm;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,2、求3、求分划板直径4、求目镜视场 5、棱镜的展开 棱镜等效为空气平板后厚度 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。若取平板厚度取(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 若两棱镜间的距离取则 下面验证其合理性:由右图中的比例关系可知:其中, 为极限值本题所求 ,故满足题意6、求目镜的通光口径下面验证其合理性:由下图中的关系几何可知:由于目镜和物镜是有厚度的,厚度约为
4、7-8 ,故,在110mm 左右,符合题意。物镜的选型及结构参数的确定一、选型,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2、计算平行平板像差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。应用PW法: 根据求,并规划成 根据求P、W 将P、W规化成、 物本身位于无穷远,则 求 首先确定冕牌在前,还是火石在前 冕牌在前, 火石在前,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:5、初始结构的计算: 由于根号内小于零,故 取平均值,得:故可得: 求解各曲率半径: 透镜厚度:(r正取+,负取-) 由以
5、上数据可得: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: 1倍焦深; 6倍焦深1倍焦深的计算:(2)弧矢彗差的像差容限:理论上说,mmmm之间。实际上,全孔径在0.0025 mm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
6、物镜除了像差要求外还应满足的要求:(1)有效焦距在119.5mm120.5mm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。(3)厚度应该取整,最多可以保留一位小数。(4)曲率半径应该套用标准版,最好用250系列。四、 物镜调校心得总结:原则上,在校正的过程中,首先用TCOS软件的自动优化功能将像差大体上校正,然后手动改变个别参数进行进一步调校,直至将各像差调整到允许的像差容限范围内为止。但实际上,自动优化功能每个人不一定能熟练驾驭,故可以以手动调节为主。调校过程中,很容易出现不能兼得的情况,这时不要盲目调校,要认真总
7、结每个自变量对结果参数的影响。可先只改变一个半径的数值,并尝试不同的改变幅度,观察记录其对焦距和各像差的影响程度。然后再逐渐改变两个自变量,逐步调校。我发现,可以较大幅度地改变R3,但R1、R2改变幅度就要小些;第一个面对球差的影响较大,第二个面的曲率半径对位置色差影响较大。校正结束后,再通过查阅光学设计手册套标准版,最好用250系列。套用时,可以取每个半径最近的两组数据,得到六组数据,组合之后再重新输入,再进行像差校正,再套标准版,直至像差、物镜的焦距等各项符合要求为止,取像差最好的一组。我的色差没调好。其实,我应该首先校正色差的,因为初级色差和透镜形状无关,校正了色差以后,再校正球差和彗差
8、,对已经校正的色差影响很小。物镜象差校正结果通过以上计算数据和校正方法,最终校正得到如下结果:-输入数据-物距 半视场角() 入瞳半径 0 4 15 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 7 3 0 1 -1理想面焦距 理想面距离0 0面序号 半径 厚度 玻璃STO 57.1500 1.300 1 2 30.4100 6.600 F2 3 -650.1000 54.700 K9 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 2.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0000 14.056 K9 定义了下列玻璃:-计算结果- 有效焦距(f) 后截距(L) 前
9、截距(L) 像距(l) 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz) 近轴像高(y) 放大率() 入瞳直径(D) 出瞳直径(D) 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U)*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵弥散园 銵F光球差 銵C光球差 銵轴向色差 腖FC 0.0855 0.0255 -0.0186 -0.0645 *D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz Xt Xs Xts .7071 0.0000 -106 鋂z 鋂zF 鋂zC 膟FC 銵T 銵S 1 0.0048 0 KT1.0H KT.7H KT.3H KS1.0H KS.707H KS.3H003
10、*高级像差*銵sn 銵Ty KTsnh KTsnyXtsn Xssn 銵FC 膟FCsn*垂轴像差* 没有考虑实际渐晕系数 (即认为渐晕系数都为 1)-子午垂轴像差(鋂t) (像面位移:0) 1H 0.5H 0.3H 0H -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 0 -0.00145 0.00623 -子午光线对弥散圆直径 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H .85 0.15259 0.14541 0.-弧矢垂轴像差分量(鋂s 鋃s) 0 0.00000 0.00145 0象差曲线:(1)球差曲线(2)轴向色差曲线(3)弧矢彗差曲
11、线:目镜的选型及结构参数的确定一、选型 故选用凯涅尔目镜二、 初始结构参数的求解:(1) 确定接眼镜的结构:由于场镜一般比较靠近像面,对整个目镜的焦距影响不大,因此接眼镜的焦距应该和目镜的焦距近似相等而稍微大一些。一般大约等于总焦距的1.2倍左右。即:单个透镜组对无限远的物体成像时,要求像散、彗差同时为零,即:归一化:若取 代入,得 由于视场角较大,要校正倍率色差,且不补偿物镜,目镜自身校正像差,即老师提供了三对符合条件的玻璃对,分别是ZF3-ZK3,ZF5-ZF6,ZF6-ZK10。我选用了ZF6-ZK10,下面即为此对玻璃的初始结构计算:查表可以得到,此对玻璃的结构参数为:经过与上述望远物
12、镜类似的计算过程,可以得到:又因为:故有:双胶合接眼镜负透镜的厚度可以取为,正透镜的厚度。(2)确定场镜的结构:原则:场镜的光焦度应保证物镜的出瞳和目镜的入瞳成物象关系。接眼镜与场镜之间的距离d取为18mm考虑到并非真实所求,因接眼镜有厚度,而且两个透镜都有主面位置,故取要求,取2、3、4、5均可,不妨取物镜框是孔径光阑,有由高斯公式场镜采用玻璃,并做成平凸形, 目镜结构如图:目镜象差计算和象差容限一、目镜所需校正的像差:目镜的特点是:焦距短、视场角大、相对孔径小,且入瞳和出瞳都离透镜组有一定的距离。因此,目镜的轴外像差一般比较大,必须校正。这就决定了目镜的结构形式通常比较复杂。目镜一般来说所
13、需校正的像差主要有:彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差等。二、像差容限:根据视场的不同,目镜各个像差的容限也互不相同。各像差的具体容限如下所示:视场中心2孔径像差602屈光度4屈光度6屈光度2屈光度4屈光度6屈光度5%7%12%其中,由于目镜视场,故我们只需看是否在30一栏所要求的像差容限之内,是否在3060一栏所要求的像差容限之内。(1)子午彗差容限可以放大一倍 即 需要校正像差的孔径组合见下图:孔径是否要校正正孔径1H0.707 H0.3 H1 H否否是0.85 H否否是0.707 H是是是0.5 H是是是0.3 H是是是 (2)1个屈光度的像散容限 的像散容限 (3)的倍率色差容限 的容限
14、三、目镜调校要求 目镜除了像差要求外还应满足的要求:1、有效焦距在19.5mm20.5mm之间。2、像距应大于2 mm。四、目镜调校方法心得总结目镜需要校正的像差较多,校正起来也比较麻烦。但有了物镜调校的经验之后,目镜的调校就变得相对容易。同物镜一样,先用自动优化功能将各个像差分批调节,尽量接近像差的容限范围,之后再通过手动调节,将各个像差调到允许的像差容限范围内。我在调节的过程中发现,但对倍率色差的影响不大。增大、,会使像散增加;其余半径增大,会使其减小。增大,彗差增大;、增大,彗差反而减小。场镜的曲率半径基本不影响场彗差和倍率色差。镜和接眼镜之间的距离d可以作为自变量来改变像差。、可以同时
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