设计一个8倍的双目望远镜-光学设计

齐鲁工业大学课程设计专用纸成绩课程名称应用光学指导教师院（系）理学院专业班级光信12-1学生姓名学号设计日期6-30课程设计题目设计一个8倍的双目望远镜设计题目要求：设计一个8倍的双目望远镜，其设计要求如下：全视场：2ω=6.5º；出瞳直径：D´=5mm；出瞳距离：lz´=20mm；分辨率：α=6；渐晕系数：K=0.55；棱镜的出射面与分划板之间的距离：a=26.3；棱镜：普罗Ⅰ型棱镜；材料：K10；目镜：2-28一、目镜的计算目镜是显微系统和望远系统非常重要的一个组成部分，但目镜本身一般并不需要设计，当系统需要使用目镜时，只要根据技术要求进行相应类型的选取即可。1、首先根据已知的视觉放大倍数Γ及视场2，求出2'6848)(22tgtgarctgtg2、因为目镜有负畸变（3%~5%），所以实际应取：0351%5)(2)(22tgarctgtgarctg3、根据实际所需要的2'数值。出瞳直径值及出瞳距值等，来选择合适的目镜类型。在本次设计中所需的目镜的结构形式应该作为已知条件给出，如：目镜2-28。齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）目镜2-28（结构图见2-2）此外设计手册中还提供有相关的结构数据参数表2-1及主要的系统数据；表2-1表2-1rdDnv效∞5.31.552463.324.1-25.240.225.450.935.51.552463.327.5-50.930.227.525.5310.01.487470.026.1-25.531.81.728028.324.217.9896.01.487470.021.8-157.0421.60.5,49.4,572,216.20dsff等。从图2-2中我们不难发现该目镜的出瞳位于整个系统的左侧，而在目镜的实际运用中，出瞳应位于系统右侧。此种情况相当于将目镜倒置，故而它所给出的49.4fs我们不能直接加以运用，这里fs是指F与目镜最后一面之间的距离。4、将手册中给的目镜倒置：由于将目镜倒置，则目镜的数据将发生一定的变化，以目镜2-28为例，原来的第一个折射面（1r）变为第八个面（8r），原来的第二个折射面（24.252r）变为第七个折射面（24.257r）……，以此类推。值得注意的是：不但折射面的次序发生变化，与此同时其半径的符号也将发生相应的改变，原来为正，则现在为负。倒置后的新的数据如下表2-2所示：5、进行手动追迹光线，求出倒置后的fs：如何进行光线追迹？我们以一个具体的双胶合物镜为例进行一下说明（见表2-4）例如一双胶合物镜的初始结构参数如下所示（见表2-3）：表2-2rdDnv效157.046.01.487470.0-17.9891.81.728028.325.5310.01.487470.0-25.530.2150.935.51.552463.3-50.930.2125.245.31.552463.3∞表2-3rdDn62.54.01.51633-43.652.51.67270-124.35表2-4123rl5.6265.43547.17935.124467.341rurl*101h197.223817.465nni/*51633.1/1160000.067270.1/51633.1278585.067270.1106533.0)(*iiuuri054482.0105518.0028439.0252542.0100104.0178198.0rrl5.62047.12165.43617.38735.124359.221l183.547343.96797.009ulu10078207.971097.9dl0.4547.1835.2967.343009.97注意：计算过程中至少保留六位有效数字。采用与以上相同的方法就可得到目镜倒置后的fs值（指焦点F与目镜最后一面的距离，也即指当平行光入射目镜系统是追迹光路中的最后一个面的像距l值）。6、计算出瞳距p：望远系统的简单结构图如下所示：由于一般情况下望远系统的孔径光阑是物镜的边框，则根据出瞳的定义：孔径光阑经后面的光学系统在像空间所成的像是出瞳，如上图所示。则有：1fxfspx公式中的xx,分别是指计算出瞳位置时的物距和像距。则根据牛顿公式ffxx有：22221)()(fspfspfspffff根据所求得的出瞳距p，与题目要求的出瞳距值进行比较。若二者比较接近，则认为所选择的目镜基本满足要求，从而最后确定了目镜的结构类型。二、选择物镜的结构形式以及一些主要数据1、根据目镜焦距2f求取物镜焦距1f：'1f='2f=20.2168=161.7282、求物镜的视场2：从题意中得出。2ω=6.5º3、求物镜的通光孔径：DDDD求的D=40mm公式中的dD（是题中所给出的出瞳直径值）4、求取物镜的相对孔径fD：D/f=40/161.728=0.247mm根据题目所给出的视场大小及相对孔径的大小选择物镜所需的结构形式。在本次系统设计中由于所设计的系统的视场不大，相对孔径也不大，故可选用双胶合物镜。双胶合物镜的结构形式如下图2-4所示：三、计算分划板1、计算分划板直径：12tgfD分=18.37mm2、查表求取分划板厚度分d及其公差值。所求的厚度及公差值为20.33、求鉴别率：D014求的=3.5四、计算棱镜由于亥普勒望远镜系统成倒像，故尚需在整个系统中加入一转像系统，在本次设计中，我们加入的是棱镜转像系统。棱镜转像系统应置于物镜的像平面附近，为了不使棱镜上的疵病反映到物镜中，还要使棱镜离开像平面一定距离，即题中所给出的a值。如果无特殊要求，棱镜的位置应位于横向尺寸最小的地方。1、棱镜的选择：本课程设计中棱镜的类型及所用光材已作为已知条件给出。而各种常见的棱镜结构示意图位于《光学仪器设计手册》上册P91页的图表中，此外在图标中还标明了棱镜各参数的数值大小。2、棱镜的选型：本设计中棱镜的类型采用的是普罗棱镜(k=4),普罗Ⅰ型棱镜按如下放置：计算时将棱镜展开，结果如下：图5普罗Ⅰ型棱镜展开图其中A为棱镜正方形端面的宽度，展开之后，每个棱镜的轴向宽度为2A。将棱镜转化为等效空气层，如下图所示：图6普罗Ⅰ型棱镜展开相当空气层图0112.02Dtan'1'fkDUURR''54tan4/2DtanURRURRUnUtt分24/2Ant''5432tan4/2Dtan)(URRURRUnUtttt分12/2Ant式中URR指上边缘光线。棱镜距离像面越近，则棱镜的口径越小，棱镜最后一面到像面距离为26.3mm，即是t5=26.3mm，第一块棱镜和第二块棱镜间隔为5mm，即是t3=10mm，棱镜材料选择K10（688.1n）。根据如上一些条件可以算出：t4=23.08mmA2=19.48mmt2=23.98mmA1=20.24mm五、8倍双目望远镜光学系统结构通过以上分析，初步确定系统结构形式如下图所示：图78倍双目望远镜光学系统结构简图六、设计总结此次光学设计我感受颇多，真正感受到自己知识的不足，以前听课时记得很熟的东西，已经记不起多少了，基本的问题还好解决，但是难度大一些的问题，就只能查找答案了，光学系统的设计一定要根据参数选择合适的棱镜组合方案，根据数据求出每一个量。每一个数据要尽量准确，在作图时要标明数据和器件名称，另外设计的格式也很重要。在做光学设计的过程中，我体会到了用所学知识解决实际问题的成就感，也认识到了自己不足的地方。很多问题都是在同学之间的讨论中解决的，这也增加了大家对设计的理解。5mm40mm26.3mm18.37mm物镜分划板目镜出瞳普罗Ⅰ型棱镜5mm20.24mm19.48mm