雙筒菱鏡望遠鏡設計資料

1、課 程 設 計 報 告（20142015年度 第 2 學期） 題 目：雙筒棱鏡望遠鏡設計 院 系：物理與電子信息工程學院 姓 名： 徐樂 專 業(yè)：光源與照明 指導老師：何武光 2015年 6 月 12 日一、設計任務及要求設計任務：雙筒棱鏡望遠鏡設計（望遠鏡的物鏡和目鏡的選型和設計）要 求：雙筒棱鏡望遠鏡設計，采用普羅I型棱鏡轉像，系統(tǒng)要求為：1、望遠鏡的放大率7倍；2、物鏡的相對孔徑D/f1：4（D為入瞳直徑，D35mm）；3、望遠鏡的視場角28°；4、儀器總長度在120mm左右，視場邊緣允許50%的漸暈；5、棱鏡最后一面到分劃板的距離14mm，棱鏡采用K9玻璃，兩棱鏡間隔為25m

2、m。6、lz=810mm2015年3月 28 日 二、指導教師評語 指導教師簽名： 年 月 日 三、成 績 年 月 日 目錄1、 設計任務2、 外形尺寸計算3、 像差容限計算和選型4、 P、W法計算初始結構5、 像差像差數據和曲線6、 像質評價和光瞳銜接7、 學習體會8、 光學零件圖和系統(tǒng)圖一、設計任務雙筒棱鏡望遠鏡設計，采用普羅I型棱鏡轉像，系統(tǒng)要求為：1、望遠鏡的放大率7倍；2、物鏡的相對孔徑D/f1：4（D為入瞳直徑，D35mm）；3、望遠鏡的視場角28°；4、儀器總長度在120mm左右，視場邊緣允許50%的漸暈；5、棱鏡最后一面到分劃板的距離>14mm，棱鏡采用K9玻璃

3、，兩棱鏡間隔為25mm。6、lz >810mm二、外形尺寸計算已知望遠鏡為參數：7 ，D/f1：4，D35mm，28°，L=120mm視場邊緣允許50%的漸暈；棱鏡最后一面到分劃板的距離>14mm1求，2求出瞳 =5mm3求視場4. 求5 計算棱鏡由棱鏡幾何關系知K=L/D=2該望遠系統(tǒng)采用普羅I型棱鏡轉像，將普羅I型展開，等效為兩塊平板，如下圖：設棱鏡高h，則mmD=2h=19.3715mm L=2D=38.74mm取L=39mm因此，等效空氣平板厚度6. 計算目鏡到棱鏡距離設物鏡與棱鏡的距離為d,則d需滿足mm實際物鏡到第一個棱鏡前表面的距離d 滿足：其中為第二塊平板

4、的后表面到分劃板的距離，根據要求，可取。其中為普羅I型棱鏡系統(tǒng)的兩棱鏡的距離，根據要求，取求得極限距離為65.6mm，小于此距離時候棱鏡檔光，實際68是可以的。設計滿足實際棱鏡通光口徑的限制。7. 求目鏡口徑8、 設計結構總尺寸三、相差容限計算和選型1. 象差容限（1）物鏡像差容限球差10H球差容限0.707H球差容限正弦差色差在0.5OH接近0（2） 目鏡像差容限目鏡需要校正的有正慧差、像散、場曲、畸變、倍率色差2. 選型（1）物鏡選型望遠鏡物鏡視場較小，需要校正球差、色差和正弦差等軸上色差。根據物鏡特點和要求選擇：雙膠合物鏡。雙膠合物鏡結構簡單，制造裝配方便，光能損失小，玻璃選擇得當，可以

5、同時校正球差、色差和正弦差，適用于小孔徑的使用場合，視場角小于。對于有棱鏡轉向系統(tǒng)的望遠鏡，采用物鏡和棱鏡互補的方案校正像差。（2）目鏡選型目鏡特點：小孔徑，大視場，短焦距，光闌遠離透鏡組的光學系統(tǒng)，軸上像差較小，軸外色差難校正。根據目鏡特點和設計要求選擇：凱涅爾目鏡。凱涅爾目鏡特點:增加一個膠合面用來校正倍率色差，同時把場鏡和接遠目鏡的間隔進一步減小，結構減小，場曲減小。成像質量優(yōu)于冉斯登目鏡，視場大于冉斯登目鏡，視場約為到之間。四、P、W法計算初始結構1、物鏡計算（1）選取雙膠合物鏡1、求由設計條件，有D=35mm，h=17.5mm,hZ=0,J=nuy=1.2237,其中（2）計算平板象

6、差u=0.125，uZ=-0.0698，,(2) 物鏡象差由物鏡和棱鏡互補得；求求P、W求、求求取冕牌在前，則根據與的值查光學設計手冊，可知ZF5-K3玻璃對在時，與計算結果相當接近，因此雙膠合物鏡選ZF5-K3玻璃對。根據光學手冊關于ZF5-K3玻璃對的詳細信息：，求形狀系數因，取下式的值，得：求歸一化條件下透鏡各面的曲率求薄透鏡各面的球面半徑求厚透鏡各面的球面半徑光學零件的中心厚度及邊緣最小厚度的確定。為了使透鏡在加工過程中不易變形，其中心厚度與邊緣最小厚度以及透鏡外徑之間必須滿足一定的比例關系：對凸透鏡：高精度 中精度 其中還必須滿足對凹透鏡：高精度 且中精度 且式中，d為中心厚度，t為

7、邊緣厚度。求各個折射面的矢高： 當代入數據得：凸透鏡的邊緣最小厚度的計算：=2.156564mm凹透鏡的邊緣最小厚度的計算：=5.305809求第一塊透鏡的中心厚度：求第二塊透鏡的中心厚度：=7.076692mm2、目鏡計算（1）選取凱涅耳物鏡出瞳，（2）求結構參數接目鏡由物鏡出瞳與目鏡入瞳相對于物鏡成共軛關系可得，其中d取18mm，可取又由光焦度與透鏡曲率半徑的關系：其中：解得：由于場鏡對像差沒有影響，固接眼鏡的初級像差滿足：又：聯(lián)立以上三式,得：由設計要求： ，取，可得：代入，的方程，可解得：又滿足：帶入數據，得：又：所以：查找光學設計手冊，可知：玻璃對滿足要求。由此可得各曲率半徑及厚度（

8、計算方法及公式同物鏡）：5、 像差數據和曲線(1) 、物鏡像差數據1.初始參數物距 半視場角(°) 入瞳半徑 0 4 17.5系統(tǒng)面數 色光數 實際入瞳 上光漸暈 下光漸暈 7 3 0 1 -1理想面焦距 理想面距離0 0 -計算結果-1.高斯參數有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')140.1741 14.37867 -118.81267 14.37867入瞳距離(lz) 出瞳距離(lz') 近軸像高(y') 放大率(_)0.00000 -106.85559 8.39243 0.00000入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D&#

9、39;) 拉赫不變量(J) 像方孔徑角(U')30.00000 30.30417 -0.31467 0.124982. 像差*零視場像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 -0.0331 -0.0619 -0.0624 -0.0415 -0.0172 0.0000彌散圓 -0.0042 -0.0066 -0.0055 -0.0026 -0.0006 0.0000F光球差 0.0859 0.0170 -0.0138 -0.0251 -0.0204 -0.0140C光球差 -0.0115 -0.0256 -0.0150 0.0176 0.0492 0.0703

10、軸向色差 0.0974 0.0426 0.0012 -0.0427 -0.0696 -0.0843*D光各視場像差*相對視場 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 0.0000 -106.7882 -8.3871 -0.8556 -0.4234 -0.4322 .85 0.0000 -106.8069 -7.1303 -0.6195 -0.3064 -0.3131 .7071 0.0000 -106.8219 -5.9324 -0.4295 -0.2123 -0.2172 .5 0.0000 -106.8388 -4.1956 -0.2152 -

11、0.1063 -0.1089 .3 0.0000 -106.8496 -2.5176 -0.0776 -0.0383 -0.03931 0.0053 0.0169 0.0002 0.0167 -0.0340 -0.0355 .85 0.0033 0.0131 -0.0010 0.0142 -0.0337 -0.0348 .7071 0.0019 0.0101 -0.0017 0.0118 -0.0335 -0.0343 .5 0.0007 0.0065 -0.0019 0.0083 -0.0333 -0.0337 .3 0.0001 0.0036 -0.0014 0.0050 -0.0332

12、-0.0333 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 0.0541 0.0235 0.0038 0.0167 0.0076 0.0013 .85 0.0461 0.0201 0.0032 0.0141 0.0065 0.0011 .7071 0.0384 0.0167 0.0027 0.0117 0.0054 0.0009 .5 0.0272 0.0119 0.0019 0.0082 0.0038 0.0006 .3 0.0163 0.0071 0.0011 0.0049 0.0023 0

13、.0004*高級像差*-0.04588 -0.00084 -0.00351 0.00014-0.00169 -0.00055 0.18168 0.00000*垂軸像差* 沒有考慮實際漸暈系數 （即認為漸暈系數都為 1）-子午垂軸像差（） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.05921 -0.06299 -0.05881 -0.04576 -0.02927 0.00000 .85 -0.03692 -0.04264 -0.04096 -0.03235 -0.02083 0.00000 .7071 -0.02032 -0.02718 -0.

14、02721 -0.02185 -0.01415 0.00000 .5 -0.00424 -0.01154 -0.01288 -0.01059 -0.00684 0.00000 .3 0.00234 -0.00401 -0.00533 -0.00414 -0.00241 0.00000 0 -0.00418 -0.00663 -0.00555 -0.00260 -0.00065 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 0.16742 0.13536 0.10590 0.06772 0.03684 0.00000 .85 0.12909 0.

15、10431 0.08109 0.05107 0.02728 0.00000 .7071 0.09712 0.07857 0.06066 0.03747 0.01953 0.00000 .5 0.05865 0.04796 0.03659 0.02166 0.01065 0.00000 .3 0.03033 0.02589 0.01958 0.01080 0.00471 0.00000 0 0.00418 0.00663 0.00555 0.00260 0.00065 0.00000-子午光線對彌散圓直徑 ±1.0H ±0.85H ±0.7071H ±0.

16、5H ±0.3H ±0H 1 0.22663 0.19835 0.16471 0.11348 0.06611 0.00000 .85 0.16602 0.14695 0.12205 0.08342 0.04811 0.00000 .7071 0.11744 0.10575 0.08786 0.05932 0.03368 0.00000 .5 0.06289 0.05949 0.04947 0.03226 0.01748 0.00000 .3 0.02799 0.02989 0.02491 0.01494 0.00712 0.00000 0 0.00837 0.01325 0

17、.01110 0.00521 0.00129 0.00000-弧矢垂軸像差分量（ ） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 1 0.01667 -0.05818 0.01148 -0.05234 0.00765 -0.04344 0.00367 -0.02929 0.00129 -0.01661 .85 0.01410 -0.04321 0.00971 -0.03966 0.00647 -0.03293 0.00310 -0.02189 0.00109 -0.01219 .7071 0.01169 -0.03119 0.00804 -0.02949 0.00536 -0.0

18、2451 0.00257 -0.01595 0.00090 -0.00863 .5 0.00823 -0.01769 0.00566 -0.01806 0.00377 -0.01503 0.00181 -0.00928 0.00063 -0.00464 .3 0.00492 -0.00905 0.00339 -0.01074 0.00226 -0.00896 0.00108 -0.00501 0.00038 -0.00208 0 0.00000 -0.00418 0.00000 -0.00663 0.00000 -0.00555 0.00000 -0.00260 0.00000 -0.0006

19、5（2） 、目鏡像差數據和曲線像差數據：1.初始參數物距 半視場角(°) 入瞳半徑 0 22.75 2.5 系統(tǒng)面數 色光數 實際入瞳 上光漸暈 下光漸暈 5 3 -10 0.5 -0.5理想面焦距 理想面距離 0 0 -計算結果-1.高斯參數 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 19.62158 2.49478 -6.74243 2.49478 入瞳距離(lz) 出瞳距離(lz') 近軸像高(y') 放大率(_) -10.00000 120.68283 8.22801 0.00000入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D

20、9;) 拉赫不變量(J) 像方孔徑角(U') 5.00000 -30.11686 -0.31450 0.127412.像差*零視場像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 -0.3095 -0.2225 -0.1534 -0.0764 -0.0274 0.0000彌散園 -0.0397 -0.0242 -0.0139 -0.0049 -0.0010 0.0000F光球差 -0.3129 -0.2268 -0.1583 -0.0820 -0.0335 -0.0063C光球差 -0.2975 -0.2102 -0.1409 -0.0636 -0.0146 0.0

21、129軸向色差 ' -0.0154 -0.0165 -0.0174 -0.0183 -0.0189 -0.0192*D光各視場像差*相對視場 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 -10.0000 57.2223 -7.9847 0.3537 -1.1561 1.5098 .85 -10.0000 67.2066 -6.8146 0.0724 -0.8395 0.9119 .7071 -10.0000 77.8940 -5.7024 -0.0122 -0.5839 0.5717 .5 -10.0000 94.6861 -4.0684 -0

22、.0289 -0.2940 0.2650 .3 -10.0000 109.8206 -2.4579 -0.0142 -0.1064 0.0922 1 0.2433 0.2470 0.2377 0.0093 0.3847 -0.3082 .85 0.1792 0.1882 0.1724 0.0158 -0.0522 -0.3116 .7071 0.1157 0.1264 0.1089 0.0175 -0.2038 -0.3120 .5 0.0456 0.0554 0.0400 0.0153 -0.2802 -0.3112 .3 0.0105 0.0171 0.0069 0.0102 -0.302

23、4 -0.3102 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 -0.0931 -0.0355 -0.0051 0.0011 0.0008 0.0002 .85 -0.0212 -0.0066 -0.0007 0.0061 0.0031 0.0006 .7071 0.0039 0.0035 0.0008 0.0071 0.0035 0.0006 .5 0.0129 0.0068 0.0013 0.0060 0.0029 0.0005 .3 0.0101 0.0051 0.0009 0.0038

24、0.0019 0.0003*高級像差*0.00137 0.69418 0.01111 0.06979-0.18903 -0.00584 0.00380 0.01092-子午垂軸像差（） （像面位移： 0） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.01314 -0.00322 0.00299 0.00734 0.00722 0.00000 .85 -0.01891 -0.00971 -0.00396 0.00040 0.00149 0.00000 .7071 -0.02178 -0.01233 -0.00641 -0.00182 -0.00030 0.00000

25、 .5 -0.02545 -0.01475 -0.00799 -0.00264 -0.00074 0.00000 .3 -0.03003 -0.01759 -0.00958 -0.00305 -0.00063 0.00000 0 -0.03971 -0.02422 -0.01387 -0.00487 -0.00105 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 -0.17315 -0.11263 -0.07392 -0.03814 -0.01733 0.00000 .85 -0.02352 -0.01432 -0.00932 -0.00532

26、 -0.00289 0.00000 .7071 0.02964 0.02060 0.01346 0.00603 0.00196 0.00000 .5 0.05122 0.03397 0.02159 0.00960 0.00328 0.00000 .3 0.05027 0.03230 0.01980 0.00818 0.00248 0.00000 0 0.03971 0.02422 0.01387 0.00487 0.00105 0.00000-子午光線對彌散圓直徑 ±1.0H ±0.85H ±0.7071H ±0.5H ±0.3H ±

27、0H 1 0.16001 0.10941 0.07691 0.04548 0.02454 0.00000 .85 0.00461 0.00460 0.00536 0.00572 0.00439 0.00000 .7071 0.05142 0.03293 0.01987 0.00785 0.00227 0.00000 .5 0.07667 0.04873 0.02958 0.01224 0.00401 0.00000 .3 0.08030 0.04990 0.02938 0.01123 0.00311 0.00000 0 0.07943 0.04844 0.02774 0.00975 0.002

28、10 0.00000-弧矢垂軸像差分量（ ） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3 1 0.00115 -0.17574 0.00102 -0.14052 0.00080 -0.11103 0.00045 -0.07387 0.00017 -0.04255 .85 0.00609 -0.14122 0.00443 -0.11082 0.00307 -0.08610 0.00154 -0.05608 0.00056 -0.03182 .7071 0.00712 -0.11163 0.00510 -0.08550 0.00351 -0.06493 0.00174 -0.04103

29、 0.00062 -0.02276 .5 0.00600 -0.07659 0.00428 -0.05560 0.00293 -0.03999 0.00145 -0.02336 0.00052 -0.01214 .3 0.00382 -0.05320 0.00271 -0.03569 0.00185 -0.02341 0.00091 -0.01162 0.00033 -0.00510 0 0.00000 -0.03971 0.00000 -0.02422 0.00000 -0.01387 0.00000 -0.00487 0.00000 -0.001056、 像質評價和光瞳銜接像質評價：調試中對物鏡的球差、正弦差和倍率色差等軸上色差進行了校正。三種像差均調到了所要求的像差容限之內，球差在1OH為0.0331，小于0.0377；軸向色差在1OH和0OH之和接近0，在0.5OH接近0；弧矢慧差為0.0167，也在容限范圍之內。物鏡焦距為140.72mm，