伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

1、伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)報(bào)告1. 總體設(shè)計(jì)要求及方法課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，要求：放大倍率為5X，筒長(zhǎng)為250mm，物鏡最大直徑不大于25mm，接受器為人眼。伽利略望遠(yuǎn)鏡是由正光焦度的物鏡和負(fù)光焦度的目鏡組成，其放大倍率大于1。光路圖如下：圖 1 伽利略望遠(yuǎn)鏡光路圖為對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)望遠(yuǎn)鏡的物鏡、目鏡分別進(jìn)行建模和優(yōu)化，以取代繁瑣復(fù)雜的光路計(jì)算。之后再將二者組合建模，并對(duì)最后的成像質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)價(jià)。2. 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 初步參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，鏡筒長(zhǎng)度250mm，而物鏡到目鏡的間距為：視覺(jué)放大率要求為5x，故有： l應(yīng)當(dāng)略小于筒長(zhǎng)，因此將l

2、設(shè)計(jì)為240mm，計(jì)算得出物鏡焦距fo為300mm，目鏡焦距fe為60mm。伽利略望遠(yuǎn)鏡一般以人眼作為視場(chǎng)光闌，物鏡框?yàn)橐晥?chǎng)光闌，同時(shí)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入射窗。由于視場(chǎng)光闌不與物面重合，因此伽利略望遠(yuǎn)鏡一般存在漸暈現(xiàn)象。出瞳應(yīng)位于人眼觀察處，為方便觀察，設(shè)定出瞳距離目鏡15mm處，物鏡的直徑為25mm，因此出瞳據(jù)物鏡距離為：當(dāng)視場(chǎng)為50%漸暈時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為： 計(jì)算得出望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角為2.8，可見(jiàn)伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)非常小。2.1 物鏡設(shè)計(jì)2.1.1 結(jié)構(gòu)選擇一般有三種結(jié)構(gòu)形式：折射式、反射式和折返式。而一般軍用光學(xué)儀器和計(jì)量?jī)x器中使用的望遠(yuǎn)鏡物鏡為折射式物鏡。單透鏡的色差和球差都相當(dāng)嚴(yán)重，現(xiàn)代望

3、遠(yuǎn)鏡一般都采用兩塊或多塊透鏡組成的鏡組。其中又可分為雙膠合物鏡、雙分離物鏡、三分離物鏡、攝遠(yuǎn)物鏡，如下圖所示。圖 2 常見(jiàn)的物鏡結(jié)構(gòu)雙膠合物鏡是最簡(jiǎn)單和常用的望遠(yuǎn)物鏡，由一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡膠合而成。雙膠合物鏡的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和裝配方便。通過(guò)選擇材料以及彎曲鏡面可以矯正透鏡組的球差、彗差和軸向色差。2.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)前面的計(jì)算，物鏡焦距fo設(shè)計(jì)為300mm，最大口徑為25mm。目視光學(xué)系統(tǒng)，波段選取為可見(jiàn)光波段0.4m-0.75m，并將人眼敏感的綠光0.55m設(shè)為主要計(jì)算波段，如下圖所示：圖 3 Zemax波段設(shè)置在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)定入射光瞳（Entrance Pupil Diame

4、ter）的大小設(shè)為25mm，視場(chǎng)角設(shè)為2.8，如圖所示：圖 4 視場(chǎng)角設(shè)置選定一組合適的初始參數(shù)在Zemax進(jìn)行建模和優(yōu)化，凸透鏡的材料選擇BK7，凹透鏡材料選擇SF1。初始參數(shù)如下表：表 1 物鏡初始參數(shù)表選取三個(gè)折射面的半徑和最后一個(gè)面的厚度作為優(yōu)化變量，根據(jù)要求選取優(yōu)化函數(shù)，其中應(yīng)當(dāng)在優(yōu)化函數(shù)中選取有效焦距EFFL為優(yōu)化變量，目標(biāo)值選為240mm，即物鏡焦距的設(shè)計(jì)值。并在優(yōu)化函數(shù)中賦予較高的權(quán)重，這樣可以使得Zemax優(yōu)化得出符合焦距要求的設(shè)計(jì)。優(yōu)化函數(shù)如下：圖 5優(yōu)化函數(shù)然后使用Zemax進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后得到的參數(shù)表如下：表 2 優(yōu)化后的參數(shù)表得到的設(shè)計(jì)如下圖所示：圖 6 物鏡設(shè)計(jì)圖其

5、視場(chǎng)內(nèi)的像差如下：圖 7 光線(xiàn)像差圖 8 光瞳處像差圖 9 MTF曲線(xiàn)2.2 目鏡設(shè)計(jì)目鏡的作用是將物鏡所成的像放大后將其成像在人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行觀察。正常人的遠(yuǎn)點(diǎn)為無(wú)窮遠(yuǎn)，因此目鏡的焦距為無(wú)窮遠(yuǎn)，目鏡的物方焦平面與物鏡的像方焦平面重合?；谄涫褂媚康暮吞匦?，具有以下特點(diǎn)：1. 焦距在15mm-30mm范圍內(nèi)，太近或太遠(yuǎn)都不方便人眼觀察。2. 出瞳較小，一般在2mm-4mm左右，與人眼瞳孔大小相近；3. 視場(chǎng)角一般在40左右。設(shè)計(jì)上一般遵循反向設(shè)計(jì)的原則，這樣物平面為無(wú)窮遠(yuǎn)的光束，在有限距離的像面上成像，并評(píng)價(jià)像質(zhì)。否則需要在無(wú)窮遠(yuǎn)平面上進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，難度很大。在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡中，目前常用的目鏡

6、有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅耳目鏡、對(duì)稱(chēng)式目鏡、無(wú)畸變目鏡和廣角目鏡。對(duì)稱(chēng)式目鏡是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙透鏡組成，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)使得加工較為方便。并且其相對(duì)出瞳距較大，在軍用觀察和瞄準(zhǔn)儀器中應(yīng)用很廣，故設(shè)計(jì)采用對(duì)稱(chēng)式目鏡。依據(jù)2.1節(jié)中的方法在Zemax中建立目鏡的模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。注意對(duì)稱(chēng)的鏡面其參數(shù)要采用Pick up的方法設(shè)置為前面鏡面參數(shù)的-1倍。同樣地優(yōu)化參數(shù)中設(shè)定有效焦距為60mm，而且系統(tǒng)的出瞳距為15mm，由于反向設(shè)計(jì)因此設(shè)定第一個(gè)第一個(gè)光學(xué)面的厚度為15mm。得到優(yōu)化參數(shù)如Error! Reference source not found.所示。表 3 優(yōu)化后目鏡參數(shù)表圖 10

7、目鏡設(shè)計(jì)圖優(yōu)化后的像差如下圖：圖 11 目鏡光線(xiàn)像差曲線(xiàn)圖 12 光瞳處像差曲線(xiàn)圖 13 目鏡MTF曲線(xiàn)圖 14 波面像差曲線(xiàn)分析結(jié)果表明目鏡系統(tǒng)的波像差達(dá)到了優(yōu)于/60的結(jié)果，說(shuō)明設(shè)計(jì)十分理想。2.3 整體光學(xué)系統(tǒng)建模按照前面的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)，在Zemax中建立整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的模型，注意物鏡和目鏡的焦點(diǎn)應(yīng)當(dāng)重合，其模型參數(shù)如所示。表 4 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)參數(shù)其光學(xué)設(shè)計(jì)圖如下：圖 15 望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像差如下圖所示：圖 16 伽利略望遠(yuǎn)鏡光線(xiàn)像差圖 17 伽利略望遠(yuǎn)鏡光瞳處像差圖 18 伽利略望遠(yuǎn)鏡MTF曲線(xiàn)3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在Solidworks中，對(duì)光機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。透鏡采用壓圈和隔圈進(jìn)行安