伽利略望遠鏡設計

1、伽利略望遠鏡設計報告1. 總體設計要求及方法課題要求設計一個伽利略望遠系統(tǒng)，要求：放大倍率為5X，筒長為250mm，物鏡最大直徑不大于25mm，接受器為人眼。伽利略望遠鏡是由正光焦度的物鏡和負光焦度的目鏡組成，其放大倍率大于1。光路圖如下：圖 1 伽利略望遠鏡光路圖為對光學系統(tǒng)進行迭代設計和優(yōu)化，采用光學設計軟件Zemax對望遠鏡的物鏡、目鏡分別進行建模和優(yōu)化，以取代繁瑣復雜的光路計算。之后再將二者組合建模，并對最后的成像質(zhì)量進行詳細的評價。2. 光學系統(tǒng)設計2.1 初步參數(shù)設計根據(jù)系統(tǒng)設計要求，鏡筒長度250mm，而物鏡到目鏡的間距為：視覺放大率要求為5x，故有： l應當略小于筒長，因此將l

2、設計為240mm，計算得出物鏡焦距fo為300mm，目鏡焦距fe為60mm。伽利略望遠鏡一般以人眼作為視場光闌，物鏡框為視場光闌，同時為望遠系統(tǒng)的入射窗。由于視場光闌不與物面重合，因此伽利略望遠鏡一般存在漸暈現(xiàn)象。出瞳應位于人眼觀察處，為方便觀察，設定出瞳距離目鏡15mm處，物鏡的直徑為25mm，因此出瞳據(jù)物鏡距離為：當視場為50%漸暈時，望遠鏡的視場角為： 計算得出望遠鏡的視場角為2.8，可見伽利略望遠鏡的視場非常小。2.1 物鏡設計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。而一般軍用光學儀器和計量儀器中使用的望遠鏡物鏡為折射式物鏡。單透鏡的色差和球差都相當嚴重，現(xiàn)代望

3、遠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、攝遠物鏡，如下圖所示。圖 2 常見的物鏡結(jié)構(gòu)雙膠合物鏡是最簡單和常用的望遠物鏡，由一個正透鏡和一個負透鏡膠合而成。雙膠合物鏡的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單，制造和裝配方便。通過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)化設計根據(jù)前面的計算，物鏡焦距fo設計為300mm，最大口徑為25mm。目視光學系統(tǒng)，波段選取為可見光波段0.4m-0.75m，并將人眼敏感的綠光0.55m設為主要計算波段，如下圖所示：圖 3 Zemax波段設置在系統(tǒng)設置中設定入射光瞳（Entrance Pupil Diame

4、ter）的大小設為25mm，視場角設為2.8，如圖所示：圖 4 視場角設置選定一組合適的初始參數(shù)在Zemax進行建模和優(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)表選取三個折射面的半徑和最后一個面的厚度作為優(yōu)化變量，根據(jù)要求選取優(yōu)化函數(shù)，其中應當在優(yōu)化函數(shù)中選取有效焦距EFFL為優(yōu)化變量，目標值選為240mm，即物鏡焦距的設計值。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計。優(yōu)化函數(shù)如下：圖 5優(yōu)化函數(shù)然后使用Zemax進行優(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)表得到的設計如下圖所示：圖 6 物鏡設計圖其

5、視場內(nèi)的像差如下：圖 7 光線像差圖 8 光瞳處像差圖 9 MTF曲線2.2 目鏡設計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點進行觀察。正常人的遠點為無窮遠，因此目鏡的焦距為無窮遠，目鏡的物方焦平面與物鏡的像方焦平面重合?；谄涫褂媚康暮吞匦裕哂幸韵绿攸c：1. 焦距在15mm-30mm范圍內(nèi)，太近或太遠都不方便人眼觀察。2. 出瞳較小，一般在2mm-4mm左右，與人眼瞳孔大小相近；3. 視場角一般在40左右。設計上一般遵循反向設計的原則，這樣物平面為無窮遠的光束，在有限距離的像面上成像，并評價像質(zhì)。否則需要在無窮遠平面上進行評價和優(yōu)化，難度很大。在望遠鏡和顯微鏡中，目前常用的目鏡

6、有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅耳目鏡、對稱式目鏡、無畸變目鏡和廣角目鏡。對稱式目鏡是由兩個結(jié)構(gòu)對稱的雙透鏡組成，對稱結(jié)構(gòu)使得加工較為方便。并且其相對出瞳距較大，在軍用觀察和瞄準儀器中應用很廣，故設計采用對稱式目鏡。依據(jù)2.1節(jié)中的方法在Zemax中建立目鏡的模型，并設置相關(guān)參數(shù)。注意對稱的鏡面其參數(shù)要采用Pick up的方法設置為前面鏡面參數(shù)的-1倍。同樣地優(yōu)化參數(shù)中設定有效焦距為60mm，而且系統(tǒng)的出瞳距為15mm，由于反向設計因此設定第一個第一個光學面的厚度為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、目鏡設計圖優(yōu)化后的像差如下圖：圖 11 目鏡光線像差曲線圖 12 光瞳處像差曲線圖 13 目鏡MTF曲線圖 14 波面像差曲線分析結(jié)果表明目鏡系統(tǒng)的波像差達到了優(yōu)于/60的結(jié)果，說明設計十分理想。2.3 整體光學系統(tǒng)建模按照前面的光學設計參數(shù)，在Zemax中建立整個望遠鏡系統(tǒng)的模型，注意物鏡和目鏡的焦點應當重合，其模型參數(shù)如所示。表 4 望遠鏡系統(tǒng)參數(shù)其光學設計圖如下：圖 15 望遠鏡光學設計圖望遠鏡系統(tǒng)的像差如下圖所示：圖 16 伽利略望遠鏡光線像差圖 17 伽利略望遠鏡光瞳處像差圖 18 伽利略望遠鏡MTF曲線3. 機械結(jié)構(gòu)設計在Solidworks中，對光機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和光學元件進行設計建模。透鏡采用壓圈和隔圈進行安