应用光学课程设计

-1-光学课程设计报告-1-光学课程设计报告姓名:班级:学号:-2-光学课程设计报告-2-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…………………………………………………….39-3-光学课程设计报告-3-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Γ＝6倍；2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）；3、望远镜的视场角2ω＝8°；-4-光学课程设计报告-4-4、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2～5mm；6、筒长约为110mm左右；-5-光学课程设计报告-5-望远镜外型尺寸计算计算整体外形尺寸1、求1'f，2'f1'4430mm120mmfD12''20mmff2、求'D'5mmDD3、求分划板直径1'2'tan(2120tan4)mm16.7824mmDfw分4、求目镜视场'w2tan'tan6tan40.41962'45.5225、棱镜的展开LDK==2棱镜等效为空气平板后厚度LdD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：-6-光学课程设计报告-6-上图中，s为棱镜最后一面到分划板的距离。若取s14mm,8.278mm,216.574mmhDh平板厚度33.15mmLKD取33.5mmL（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22.1mmLdn若两棱镜间的距离取2mmb则1'259.8mmcfsbd下面验证其合理性：由右图中的比例关系可知：8.287120'15120'53.7mmcc其中，'c为极限值本题所求'cc，故满足题意6、求目镜的通光口径-7-光学课程设计报告-7-12'[('')tan]222.0795mm4DDffw目下面验证其合理性：由下图中的关系几何可知：2'(59.821420)mm91.8mmcbaf由于目镜和物镜是有厚度的，厚度约为7-8mm,故91.8mm28mm107.8mm，在110mm左右，符合题意。物镜的选型及结构参数的确定一、选型1/,120mm4Dff，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-8-光学课程设计报告-8-1、求,,zhhJ15mm2015'0.125120'tan120tan(4)mm8.3912mm'''0.1258.39121.0489zDhhhufyfwJnuy2、计算平行平板像差2432215mm200.125,40.06980.5584233.5mm67mm1.5163,64.110.0060960.003404(1)0.003667zzzpzpppDhhuraduraduudnvnSdunuSSudnCuvn-9-光学课程设计报告-9-3、物镜像差思路：物镜像差和棱镜的初级像差补偿，等值反号。0.006096,0.003404,0.003667SSC应用PW法：⑴根据C求C，并规划成C220.0036671200.001956(15)CCh⑵根据,SS求P、W0.0060960.0004064150.0034040.00324531.0489zSShPPhSShPJwwJ⑶将P、W规化成P、W33220.00040640.20808()(0.125)W0.00324530.2077(0.125)PPhWh（）⑷物本身位于无穷远，则0.20808,0.2077PPWW⑸求0P首先确定冕牌在前，还是火石在前冕牌在前，00.1W2000.85()0.19822PPWW火石在前，00.2W-10-光学课程设计报告-10-2000.85()0.20803PPWW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：6128.11n21.5163n0.002C00.225074P05.223186Q00.215989W11.1826995、初始结构的计算：00PPQQA由于根号内小于零，故05.223186QQ00'5.2281495wwQQk取平均值，得：+Q'=5.2256682QQ故可得：11112121322Q2.1129771Q4.0429691Q0.18461011nnnnn求解各曲率半径：-11-光学课程设计报告-11-112233'56.792mm'29.68mm'650.019mmfrfrfr透镜厚度：222Drrx（r正取+，负取-）由以上数据可得：22111222222111121223332322223x()2.017mm2x()4.07mm284.64mm102.59mmx()0.173mm231.73mm105.97mmDrrDrrDxxtdtxxDrrDxxtdtxx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。-12-光学课程设计报告-12-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：1H1倍焦深；0.707H6倍焦深1倍焦深的计算：22589.29nm0.0377mm'sin'10.125mnU（2）弧矢彗差的像差容限：理论上说，像差容限在0.0025mm~0.00025mm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。-13-光学课程设计报告-13-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119.5mm~120.5mm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，-14-光学课程设计报告-14-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0415系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕7301-1理想面焦距理想面距离00-15-光学课程设计报告-15-面序号半径厚度玻璃STO57.15001.3001230.41006.600F23-650.100054.700K940.000033.500150.00002.000K960.000033.500170.000014.056K9☆定义了下列玻璃:F21.61281.6246571.608067K91.51631.5219551.513895-------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')119.9340214.05556-119.7483614.05556入瞳距离(lz)出瞳距离(lz')近轴像高(y')放大率()0.00000-106.064318.386600.00000入瞳直径(D)出瞳直径(D')拉赫不变量(J)像方孔径角(U')30.0000030.04649-0.314670.12507-16-光学课程设计报告-16-2.像差***零视场像差***1H0.85H0.707H0.5H0.3H0H球差銵'0.0115-0.0583-0.0735-0.0537-0.02290.0000弥散园銵R'0.0014-0.0062-0.0065-0.0034-0.00090.0000F光球差銵F'0.12400.0101-0.0375-0.0513-0.0407-0.0286C光球差銵C0.0385-0.0153-0.01880.01320.05130.0783轴向色差腖FC'0.08550.0255-0.0186-0.0645-0.0920-0.1069***D光各视场像差***相对视场Lz1Lz2Yz'Xt'Xs'Xts'10.0000-105.9966-8.3818-0.8584-0.4239-0.4345.850.0000-106.0154-7.1256-0.6215-0.3067-0.3148.70710.0000-106.0305-5.9285-0.4309-0.2125-0.2184.50.0000-106.0474-4.1927-0.2159-0.1064-0.1095.30.0000-106.0583-2.5159-0.0778-0.0383-0.0395鋂z'鋂z'F鋂z'C膟FC'銵T'銵S'10.00480.016