望远物镜设计

1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？望远物镜的光学特性有以下两点：1.1相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'Df物）和目镜（''Df目）的相对孔径是相等的。目镜的相对孔径主要由出瞳直径'D和出瞳距离'zl决定。目前观察望远镜的出瞳直径'D一般为4mm左右，出瞳距离'zl一般要求20mm左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f目一般不能小于25mm，这样目镜的相对孔径为''41256Df目所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。1.2视场较小望远镜的视放大率为'tantanww，目前常用目镜的视场'2w大多在70以下，这就限制了物镜的视场不能太大。如一个8的望远镜，可得物镜视场2w为10。通常望远物镜的视场不大于10。像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'mL，轴向色差'FCL和边缘孔径的正弦差'mSC。而不校正'tsx，'px和'zy以及垂轴色差'FCy。由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。所以物镜的'mL，'FCL，'mSC常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率：3.7；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：210w；物镜焦距：'=85fmm物；棱镜折射率：n=1.5163(K9)；棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差为：'mδL=0.1mm，'0.001mSC，'0.05FCLmm要求：（1）计算棱镜的初级像差（2）双胶合物镜的初级像差求解（3）利用ZEMAX自动设计程序进行优化设计解答：棱镜入射光束的相关参数：''tantanwDwD得入瞳直径D=15mm；'2150.088170Duf物''tan85*tan(5)7.44yfw物；tan(5)0.087zu；0.99zuu'''0.655Jnuy；棱镜本身参数为：d=31mm，n=1.5163，v=64.1（1）棱镜的初级像差：球差：2431nSdun；慧差：zuSSuⅡ；像散：2zuSSuⅢⅠ；场曲：0SⅣ畸变：3zuSSuⅤⅠ；轴向色差：221CdnSuvnⅠ；垂轴色差：zCCuSSuⅡⅠ对于望远镜系统来说，计算球差、慧差和轴向色差：2431nSdun=-0.00069；zuSSuⅡ=0.00068；221CdnSuvnⅠ=-0.00084（2）双胶合物镜的初级像差求解：根据整个系统的要求，求出系统的像差和数SⅠ，SⅡ，CSⅠ：''2'222(0.088)0.10.00159nuLSⅠ'''''''22()0.00131snuKnuSSCyⅡ''2'0.00039CFCnSuLⅠ以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求得双胶合物镜的像差为：0.00159(0.00069)0.0009SⅠ0.001310.000680.00063SⅡ0.00039(0.00084)0.00045CSⅠ（2.1）下面初级像差方程求P，W，C7.5*0.0009hppSⅠ，P=-0.000120.00063zhPJWSⅡ，W=-0.0073720.00045ChCSⅠ，0.000008C由P，W，C求,,PWC330.00012=-0.1760.088pPh22W0.00737W=-0.9520.088h'CC0.000008*85=0.00068f物由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：=-0.176PP，W=W-0.952，C0.0006820P=-0.85W-0.15-1.208P（2.2）根据0P和C选玻璃，得到：10K：nD=1.5181，v=58.91ZF：nD=1.6475，v=33.9C0.00068，0P=-1.208，05.10Q（2.3）求透镜组半径1212212121,1111111,CvCCvvvvvv所以12121111110.0006833.958.933.92.302Cvvv,2111.302结构参数：00.150.9520.155.106.1421.671.67WQQ由上面的结果求半径：1212.3026.1423.84Qr1112112.3023.840.60311.51811rnr2322111.3023.841.82911.64751rrn上面的半径对应于焦距为1，将它们乘以焦距'=85fmm物，最后求得半径为：123140.96,22.14,46.47rrr（2.4）透镜厚度的选择：124,2dd双胶合物镜的全部参数为：123140.96,22.14,46.47rrr124,2ddK10，ZF1（3）ZEMAX得到的初始结构为如下：焦距为92mm将焦距设为85mm，优化后的结果为：优化后结果比较理想，但含有少量的球差和慧差。3.设计一个摄远物镜，其光学性能须满足以下要求：''2501:721.5fmmDfw解：摄远物镜的特点就是系统的焦距大于系统长度，系统的相对孔径受到前组相对孔径的限制。结构参数如下：4.设计一个两镜式反射式物镜，焦距500mm,相对孔径1:5,半视场角1°，中心遮拦30%。解：取主镜口径100mm,焦距200mm,相对孔径为1:2，则次镜的相对孔径为1:2.5，系统遮光比0.3，主镜与次镜之间的间隔d=140mm。次镜半径为-200mm。设计的结构如下：