十五倍觀察鏡 光學(xué)設(shè)計(jì)最終

1、光學(xué)總體設(shè)計(jì) Optical general design 題目名稱：15倍觀察鏡 學(xué) 校： # 學(xué) 院： 光電工程學(xué)院 專 業(yè)： # 學(xué) 號(hào)： # 姓 名： # 2013.12.21目錄一、設(shè)計(jì)背景.1二、設(shè)計(jì)要求.2三、系統(tǒng)的原理及應(yīng)用.2四、目鏡的選擇與計(jì)算24.1目鏡2-2724.2目鏡的反轉(zhuǎn)和計(jì)算34.3追跡光線44.4計(jì)算出瞳距4 4.5 目鏡口徑計(jì)算.3五、 物鏡選擇65.1根據(jù)目鏡焦距求取物鏡焦距65.2物鏡視場(chǎng)角65.3物鏡通光口徑75.4相對(duì)孔徑75.5物鏡結(jié)構(gòu)75.6物鏡設(shè)計(jì)7六、分劃板的確定8七、棱鏡計(jì)算87.1 棱鏡結(jié)構(gòu)87.2棱鏡展開(kāi)9八、 設(shè)計(jì)結(jié)果.109、 設(shè)計(jì)

2、心得.1110、 附錄.1215倍觀察鏡設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)背景在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，以典型精密透鏡、反射鏡、棱鏡等及其組合為關(guān)鍵部件的大口徑光電系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。比如：天文望遠(yuǎn)鏡、空間望遠(yuǎn)鏡；地基空間目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別；激光大氣傳輸，慣性約束聚變裝置等等。設(shè)計(jì)要求:全視場(chǎng): 出瞳直徑： 鏡目距：p>8mm鑒別率： 漸暈系數(shù) ： 棱鏡和分劃板上表面的距離：a= 15mm 棱鏡和材料 : D1J-600 屋脊棱鏡 材料： k10 物鏡：2-27目鏡:K9 ZF7三、系統(tǒng)的原理及應(yīng)用棱鏡在光學(xué)設(shè)計(jì)中是必不可少的，要想通過(guò)觀察鏡看到清晰地像，需要通過(guò)借助一些能改變光路傳播的棱鏡系統(tǒng)，其中反射棱鏡種類繁多。

3、包括有:普通棱鏡，屋脊棱鏡，立方角錐棱鏡，復(fù)合棱鏡。在這里用棱鏡而不用反射鏡的原因是，反射鏡不僅會(huì)對(duì)光束有吸收作用且它的反射面沒(méi)有棱鏡的反射面光滑，這回事反射效果降低，導(dǎo)致成像不清晰。屋脊棱鏡(Roof Prism)就是把普通棱鏡一個(gè)反射面用兩個(gè)互相垂直的反射面來(lái)代替的棱鏡，互相垂直的兩反射面的交線應(yīng)平行于原反射面且在主截面內(nèi)，它猶如在反射面上覆蓋一個(gè)屋脊，故稱為屋脊棱鏡，這兩個(gè)相互垂直的反射面即為屋脊面。屋脊面的作用就是在不改變光軸方向和主截面內(nèi)成像方向的條件下，增加一次反射，是系統(tǒng)總的反射次數(shù)由奇數(shù)次變成偶數(shù)次從而達(dá)到五項(xiàng)相似的目的。屋脊棱鏡的實(shí)際作用可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)倒像的目的，所謂倒像就是使

4、像相對(duì)于物轉(zhuǎn)過(guò)180度。屋脊棱鏡除了能保持與原有棱鏡相同的光軸走向外，還能使垂直于主界面的坐標(biāo)軸發(fā)生倒轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單棱鏡的單獨(dú)使用通常不能實(shí)現(xiàn)倒像的功能，但是若用屋脊面代替其中的一個(gè)反射面，則在不斷增加其他棱鏡的基礎(chǔ)上就能夠擴(kuò)展簡(jiǎn)單棱鏡的功能，實(shí)現(xiàn)倒像的功能。屋脊棱鏡體積較小而且可以使物鏡和目鏡位于一條直線上，因此常用于極緊湊的雙筒鏡。與普羅棱鏡相比，屋脊棱鏡有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，一是光線的損失多，成像較暗；二是對(duì)裝配精度要求高，難于制造，價(jià)格也較貴，制造精良的屋脊棱鏡在性能方面可以趕上但不會(huì)超過(guò)普羅棱鏡屋脊棱鏡關(guān)鍵在于存在屋脊面，所謂屋脊面就是光路里面會(huì)遇到一個(gè)屋脊形的由兩個(gè)反射面夾起來(lái)的反射面，兩個(gè)

5、面的棱在光路正中，所以有的屋脊棱鏡可以看到中間有條分界線，其實(shí)也可以理解為把光束分成兩半再拼合起來(lái)。把兩個(gè)鏡子組成一個(gè)直角就形成了一個(gè)屋脊面，自己試試，看是不是和普通鏡子的左右互換了？一個(gè)最常用的別漢棱鏡原理要反射6次。相應(yīng)的、還有一種現(xiàn)代蔡司望遠(yuǎn)鏡常用的abbe棱鏡，也是一種屋脊棱鏡，長(zhǎng)度稍大，但是只要4次反射，而且不需要鍍反光層，所以效率比別漢棱鏡高而和普通的保羅棱鏡差不多。四、目鏡的選擇與計(jì)算4.1 根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè) p295目鏡結(jié)構(gòu)2-27 圖一 目鏡結(jié)構(gòu)目鏡參數(shù) ( '=28.09 2=68º S'=18.66 d=8) 表一 目鏡2-27參數(shù)rdnv-60

6、.1240.46-26.06oo-42.0754.7032.29117.492.510.50.3 7.50.34.013.01.64751.57241.51631.64751.516326.533.934.339.640.742.841.441.04.2目鏡的反轉(zhuǎn)和計(jì)算rdn-117.49-32.29-54.7042.07Oo26.06-40.4660.1213.04.00.37.50.310.52.51.51631.64751.51631.57241.6475 表二 倒置目鏡參數(shù)4.3追跡光線 根據(jù)光線追跡的原理，由Matalb程序求解 Matlab計(jì)算結(jié)果:nluii'u'

7、l'10-0.08511-0.05613-0.02898-345.0512-358.051-0.02898-0.29238-0.2691-0.05227-198.5413-202.541-0.05227-0.14126-0.232730.039201270.04184269.74180.0392010.2121440.1399090.11143694.88943587.389430.111436-0.11144-0.168970.1689757.63334657.333340.168970.2027720.2427850.24278539.90199729.401990.242785-

8、0.41921-0.2236750.22367531.91393829.413930.223675-0.11424-0.2976470.29764722.10397可以求得（目鏡后表面到像方焦點(diǎn)的距離) 4.4出瞳到目鏡的距離由于一般情況下望遠(yuǎn)系統(tǒng)的孔徑光闌是物鏡的邊框，則根據(jù)出瞳定義：孔徑光闌經(jīng)后面光學(xué)系統(tǒng)的在像空間所成像是出瞳，如上圖所示。根據(jù)牛頓公式 觀察鏡結(jié)構(gòu)圖：圖二4.5目鏡口徑計(jì)算由設(shè)計(jì)要求知k=0.8,對(duì)應(yīng)的光路圖如下所示圖3 漸暈0.8對(duì)應(yīng)光路圖A點(diǎn)為邊緣光線經(jīng)過(guò)物鏡的出射光線與光軸的交點(diǎn)，H為目鏡第一個(gè)面的像高，U為A點(diǎn)發(fā)出光線的孔徑角。漸暈系數(shù)k=0.8，根據(jù)以上條件，進(jìn)行

9、光線追跡，由Matlab計(jì)算可得nluiI'l'u'h1-217.597-0.077640.2214420.1344110.0093881799.64216.894921786.6420.0093880.5100560.840318-0.32087-52.272516.772863-56.2725-0.320870.6509710.413999-0.0839-215.21118.056354-215.511-0.0839-0.3459-0.543890.11409158.485118.081525150.98510.11409-0.11409-0.075240.0752

10、42228.938817.225856228.63880.075242-0.73538-0.676820.0166791031.41317.2032871020.9130.0166790.4041840.439157-0.01829-930.84117.028148-933.341-0.01829-0.2657-0.402890.118889143.611517.07388表4 光線追跡結(jié)果根據(jù)不同面上的高度，選擇最大的高度作為目鏡的口徑，得到五、 物鏡選擇5.1根據(jù)目鏡焦距求取物鏡焦距f1=15*28.09=421.35mm5.2物鏡視場(chǎng)角5.3物鏡通光口徑D=4x15=60mm5.4相對(duì)孔

11、徑D=4*15=60mmD/f'=60/421.35=0.1423995.5物鏡結(jié)構(gòu)根據(jù)題目所給出的視場(chǎng)大小及相對(duì)孔徑的大小選擇物鏡所需的結(jié)構(gòu)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的視場(chǎng)不大，相對(duì)孔徑也不大，故可選用雙膠合物鏡。圖3物鏡結(jié)構(gòu) 5.6 物鏡設(shè)計(jì) S選擇物鏡 K9（，）和 ZF7（,）計(jì)算結(jié)果： 設(shè)正透鏡的厚度d=6mm 和負(fù)透鏡的厚度d=3mm. 設(shè)r1= -r2： 得 =262.6813mm得 mm.六. 分劃板的確定 分劃板尺寸七、棱鏡計(jì)算圖4 屋脊棱鏡 D1J-6007.1 棱鏡結(jié)構(gòu)由光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)知FBJ-60°屋脊棱鏡的機(jī)構(gòu)如下圖表4 棱鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)a=2D

12、b=Dc=DD=2.792DT=0.457DH=2.646DR=1.094DL=2.646D7.2棱鏡的展開(kāi) D1J-600，展開(kāi)長(zhǎng)度 ：圖5 棱鏡展開(kāi)圖 得出D2=34.7190 mm L=92.4084mm再由公式得K=1是漸暈系數(shù), D是物鏡直徑， 是等效空氣層 ， 是K9的折射率, D1 和 D2 是棱鏡直徑, t 是物鏡到棱鏡第一個(gè)平面的距離.式中，為棱鏡所用材料對(duì)D光的折射率;為棱鏡所用材料對(duì)空氣的等效空氣層厚度；b是物鏡到棱鏡前表面的距離；是一個(gè)過(guò)渡參量。通過(guò)上式可以求出棱鏡的通光口徑，是棱鏡前后的通光口徑，但是由于棱鏡本身也存在一個(gè)安裝棱鏡本身存在一個(gè)安裝固定的問(wèn)題，故而所取值

13、適當(dāng)加大以滿足設(shè)計(jì)要求，可取增量值為2。八、 設(shè)計(jì)結(jié)果目鏡：f =28.09mm 鏡目距=23.977mm物鏡：f=421.35mm 分劃板：D=29.4277mm棱鏡：D1=34.9238mm D2=34.7190mm L=92.4084mm棱鏡到物鏡的距離：t=mm棱鏡到分劃板距離：a=15mm15倍觀察鏡設(shè)計(jì)概略圖光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)心得： 通過(guò)一周的光學(xué)課程設(shè)計(jì)，我對(duì)一些專業(yè)知識(shí)和光學(xué)設(shè)計(jì)有了更深的了解，于此同時(shí)也嘗試著去應(yīng)用自己的所掌握的知識(shí)，我也深深感覺(jué)到了找老師解決疑難以及和同學(xué)討論的重要性。和同學(xué)之間的討論，對(duì)一些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更加深刻，在這個(gè)過(guò)程中，隨著一個(gè)個(gè)新的問(wèn)題的提出，也使自己

14、做的東西更加完善！同時(shí)，當(dāng)給別人解決一些問(wèn)題的時(shí)候也相當(dāng)有成就感。一周的光學(xué)設(shè)計(jì)我們學(xué)會(huì)了運(yùn)用應(yīng)用光學(xué)知識(shí)，了解觀察鏡工作原理的基礎(chǔ)上，完成觀察鏡的物鏡組、目鏡組及轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的簡(jiǎn)易或原理設(shè)計(jì)。學(xué)會(huì)了手動(dòng)目鏡追光，以及matlab程序追光，在最后的整體結(jié)構(gòu)圖繪制上我們更是運(yùn)用到了cad軟件。整個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程是辛苦的，但確實(shí)收獲良多。最讓人感到意外的是答辯環(huán)節(jié)，通過(guò)答辯的環(huán)節(jié)我們進(jìn)一步挖掘了觀察鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，我們更是學(xué)到了很多課堂上沒(méi)能學(xué)到的東西，我只能說(shuō)我已經(jīng)喜歡上應(yīng)用光學(xué)了，哈哈。附錄（1）光線追跡matlab程序l=100000000000;u=0; y=10;r=-117.49,-

15、32.29,-54.70 ,42.07 ,0 ,26.06 ,-40.46,60.12; d=13.0,4.0 ,0.3 ,7.5 ,0.3 ,10.5,2.5; n=1.5163,1.6475,1,1,1.5163,1,1.57240,1.6475,;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); e

16、nd 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=%fn',l,u,i,i2,u2,l2);abcd(j,:)= l,u,i,i2,u2,l2; if length(d)>=j l=l2-d(j); else l=l2; fprintf('finished:Lf=%f',l); end u=u2;end（2）.物鏡參數(shù)計(jì)算matlab程序v1=64.1;v2=25.4;f=421.35;n1=1.51630;n2=1.80600;A=1/f;a1=A*(-v1/(v2-v1);a2=A*(v2/