应用光学课程设计.doc

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，像差容限在0.0025mm0.00025mm之间。实际上，全孔径在0.0025 8.3912 0.021mm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，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-1.初始参数物距 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: F2 1.6128 1.624657 1.608067 K9 1.5163 1.521955 1.513895-计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 119.93402 14.05556 -119.74836 14.05556 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率() 0.00000 -106.06431 8.38660 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 30.00000 30.04649 -0.31467 0.125072.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵' 0.0115 -0.0583 -0.0735 -0.0537 -0.0229 0.0000弥散园 銵R' 0.0014 -0.0062 -0.0065 -0.0034 -0.0009 0.0000F光球差 銵F' 0.1240 0.0101 -0.0375 -0.0513 -0.0407 -0.0286C光球差 銵C 0.0385 -0.0153 -0.0188 0.0132 0.0513 0.0783轴向色差 腖FC' 0.0855 0.0255 -0.0186 -0.0645 -0.0920 -0.1069*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 0.0000 -105.9966 -8.3818 -0.8584 -0.4239 -0.4345 .85 0.0000 -106.0154 -7.1256 -0.6215 -0.3067 -0.3148 .7071 0.0000 -106.0305 -5.9285 -0.4309 -0.2125 -0.2184 .5 0.0000 -106.0474 -4.1927 -0.2159 -0.1064 -0.1095 .3 0.0000 -106.0583 -2.5159 -0.0778 -0.0383 -0.0395 鋂z' 鋂z'F 鋂z'C 膟FC' 銵T' 銵S' 1 0.0048 0.0169 -0.0004 0.0172 0.0234 0.0100 .85 0.0030 0.0132 -0.0014 0.0146 0.0201 0.0104 .7071 0.0017 0.0102 -0.0020 0.0122 0.0175 0.0107 .5 0.0006 0.0066 -0.0020 0.0086 0.0145 0.0111 .3 0.0001 0.0037 -0.0014 0.0052 0.0126 0.0113 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 -0.0093 0.0011 0.0008 0.0004 0.0012 0.0003 .85 -0.0078 0.0010 0.0007 0.0003 0.0010 0.0003 .7071 -0.0064 0.0009 0.0006 0.0002 0.0008 0.0002 .5 -0.0044 0.0006 0.0004 0.0001 0.0005 0.0002 .3 -0.0026 0.0004 0.0003 0.0001 0.0003 0.0001*高级像差*銵'sn 銵T'y KT'snh KT'sny-0.07927 0.01191 0.00576 0.00024Xt'sn Xs'sn 銵FC' 膟FC'sn-0.00168 -0.00055 0.19241 0.00000*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） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.11552 -0.10004 -0.08215 -0.05595 -0.03256 0.00000 .85 -0.08407 -0.07412 -0.06095 -0.04111 -0.02364 0.00000 .7071 -0.05871 -0.05334 -0.04401 -0.02926 -0.01652 0.00000 .5 -0.02986 -0.02996 -0.02505 -0.01604 -0.00856 0.00000 .3 -0.01085 -0.01493 -0.01303 -0.00772 -0.00353 0.00000 0 0.00145 -0.00623 -0.00653 -0.00337 -0.00086 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 0.09684 0.09648 0.08433 0.05928 0.03420 0.00000 .85 0.06851 0.07128 0.06293 0.04399 0.02506 0.00000 .7071 0.04597 0.05110 0.04573 0.03169 0.01771 0.00000 .5 0.02102 0.02848 0.02633 0.01779 0.00941 0.00000 .3 0.00561 0.01408 0.01383 0.00877 0.00404 0.00000 0 -0.00145 0.00623 0.00653 0.00337 0.00086 0.00000-子午光线对弥散圆直径 ±1.0H ±0.85H ±0.7071H ±0.5H ±0.3H ±0H 1 0.21237 0.19652 0.16649 0.11523 0.06676 0.00000 .85 0.15259 0.14541 0.12388 0.08510 0.04870 0.00000 .7071 0.10468 0.10444 0.08973 0.06095 0.03422 0.00000 .5 0.05088 0.05844 0.05139 0.03384 0.01797 0.00000 .3 0.01646 0.02901 0.02686 0.01649 0.00757 0.00000 0 0.00289 0.01247 0.01307 0.00673 0.00172 0.00000-弧矢垂轴像差分量（鋂s' 鋃s'） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 1 0.00042 -0.05239 0.00111 -0.05191 0.00117 -0.04444 0.00079 -0.03009 0.00033 -0.01685 .85 0.00029 -0.03746 0.00090 -0.03924 0.00096 -0.03393 0.00066 -0.02268 0.00027 -0.01242 .7071 0.00020 -0.02548 0.00071 -0.02908 0.00078 -0.02550 0.00053 -0.01673 0.00022 -0.00886 .5 0.00011 -0.01202 0.00048 -0.01766 0.00053 -0.01602 0.00037 -0.01005 0.00015 -0.00486 .3 0.00005 -0.00340 0.00028 -0.01035 0.00031 -0.00995 0.00022 -0.00577 0.00009 -0.00230 0 0.00000 0.00145 0.00000 -0.00623 0.00000 -0.00653 0.00000 -0.00337 0.00000 -0.00086象差曲线：（1）球差曲线 （2）轴向色差曲线 （3）弧矢彗差曲线： 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1.5mm，正透镜的厚度可以取为4.5mm。（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，厚度取4.5mm 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<30°30°60°>60°2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%0.0010.00150.003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30°60°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0.8mm 的像散容限1.6mm (3)的倍率色差容限 的容限三、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，对像距的影响很大，需要以0.1的量级改变，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。、可以同时调节，增加，减小；、可以同时同步调节。 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，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、目镜的焦距等各项符合要求为止，取像差最好的一组。目镜象差校正结果和象差曲线通过以上数据和方法得以下结果：-输入数据-1.初始参数物距 半视场角(°) 入瞳半径 0 22.75 2.5 系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 5 3 -8 0.5 -0.5理想面焦距 理想面距离0 0面序号 半径 厚度 玻璃STO 39.5400 1.500 1 2 14.0600 4.500 ZF6 3 -20.0400 17.500 ZK10 4 14.7230 4.500 1 5 0.0000 2.477 K9 定义了下列玻璃: ZF6 1.755 1.774755 1.747325 ZK10 1.622 1.629739 1.618769 K9 1.5163 1.521955 1.513895-计算结果-1.高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 20.49438 2.47672 -4.45976 2.47672 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率() -8.00000 121.11835 8.59401 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 5.00000 -28.94491 -0.31450 0.121982.像差*零视场像差* 1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H球差 銵' -0.3260 -0.2342 -0.1614 -0.0803 -0.0288 0.0000弥散园 銵R' -0.0399 -0.0244 -0.0140 -0.0049 -0.0011 0.0000F光球差 銵F' -0.3334 -0.2422 -0.1698 -0.0892 -0.0381 -0.0094C光球差 銵C -0.3121 -0.2202 -0.1473 -0.0661 -0.0145 0.0144轴向色差 腖FC' -0.0213 -0.0220 -0.0226 -0.0232 -0.0236 -0.0238*D光各视场像差*相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts' 1 -8.0000 42.6088 -8.5511 0.3043 -1.2605 1.5649 .85 -8.0000 53.8221 -7.2199 0.2905 -0.8520 1.1425 .7071 -8.0000 66.1221 -6.0058 0.2110 -0.5692 0.7803 .5 -8.0000 86.4570 -4.2643 0.1040 -0.2775 0.3815 .3 -8.0000 106.1101 -2.5702 0.0362 -0.0989 0.1352 鋂z' 鋂z'F 鋂z'C 膟FC' 銵T' 銵S' 1 0.0429 0.0591 0.0329 0.0262 -0.2918 -0.3794 .85 0.0850 0.1019 0.0756 0.0263 -0.3100 -0.3566 .7071 0.0711 0.0869 0.0627 0.0243 -0.3193 -0.3441 .5 0.0327 0.0453 0.0264 0.0189 -0.3245 -0.3337 .3 0.0080 0.0160 0.0040 0.0120 -0.3257 -0.3285 KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H 1 -0.0385 -0.0170 -0.0028 -0.0052 -0.0027 -0.0005 .85 -0.0186 -0.0083 -0.0014 -0.0027 -0.0014 -0.0003 .7071 -0.0106 -0.0048 -0.0008 -0.0017 -0.0010 -0.0002 .5 -0.0054 -0.0025 -0.0004 -0.0011 -0.0006 -0.0001 .3 -0.0029 -0.0014 -0.0002 -0.0006 -0.0004 -0.0001*高级像差*銵'sn 銵T'y KT'snh KT'sny0.00159 0.03413 0.00220 0.01656Xt'sn Xs'sn 銵FC' 膟FC'sn0.05888 0.06105 0.00250 0.00577*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） 1.0H 0.85H 0.7071H 0.5H 0.3H 0H 1 -0.03727 -0.01850 -0.00640 0.00309 0.00528 0.00000 .85 -0.02068 -0.00667 0.00182 0.00736 0.00699 0.00000 .7071 -0.02269 -0.00906 -0.00068 0.00508 0.00533 0.00000 .5 -0.03131 -0.01667 -0.00725 0.00018 0.00222 0.00000 .3 -0.03781 -0.02230 -0.01202 -0.00332 0.00003 0.00000 0 -0.03994 -0.02436 -0.01395 -0.00490 -0.00106 0.00000 -1.0H -0.85H -0.7071H -0.5H -0.3H -0H 1 -0.03964 -0.03344 -0.02766 -0.01911 -0.01083 0.00000 .85 -0.01660 -0.01863 -0.01847 -0.01522 -0.00973 0.00000 .7071 0.00142 -0.00550 -0.00897 -0.00968 -0.00693 0.00000 .5 0.02042 0.00911 0.00217 -0.00263 -0.00308 0.00000 .3 0.03209 0.01827 0.00930 0.00199 -0.00050 0.00000 0 0.03994 0.02436 0.01395 0.00490 0.00106 0.00000-子午光线对弥散圆直径 ±1.0H ±0.85H ±0.7071H ±0.5H ±0.3H ±0H 1 0.00237 0.01494 0.02