内调焦准距式望远系统光学设计2007312200

内调焦准距式望远系统光学设计汤晓敏电子信息学院光科2007312200241、技术参数选择；放大率：24加常数：c=0分辨率：4最短视距：Ds2m视场角：2w1.6筒长：LT195mm乘常数：k=1002、外形尺寸计算；取适当的L和Q，我们取：=-24，L=170，Q=0.70f12=242.86，d0=111.94f1=147.11，f2=-89.20，f3=10.12由于计算误差和取舍误差，亦或计算错误，使得加常数c0。因此，必须检验加常数是否为0。检验公式为：2222122142f-f-fL-fδ-fc(2-4)将所确定的参数代入，得：c=-0.02834由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。为了满足分辨率的要求，即4，由D014得：35mm4140140D另一方面，由DDΓ可知，一定时，出瞳D随D的增大而增大。D的增大，即物镜通光孔径增大，使仪器外形增大。当f1一定时，物镜的相对孔径D1/f1也随之增大，物镜的高级像差增大，像差校正困难。通常，用于大地测量仪器的望远镜系统，为了提高测量精度，出瞳直径D=1.3~1.5mm，一般取D=1.5mm，则：D=-D241.5=36mm因此，取入瞳直径，即物镜的通光孔径D1=36mm，对应的出瞳直径D=1.5mm。二、调焦镜的通光孔径如图2-5所示，调焦镜的通光孔径D2由轴外物点的上光线的入射高度确定。由图中三角关系，有：021111222d/-D/Dfy-/D而：y1=f1tgw则得调焦镜的通光孔径：D2=D1-d0(D1/f1-2tgw)=36-111.71(36/143.74-2tg0.8)=11.73mm三、分划板直径及视距丝间隔由于场阑与分划板重合，所以分划板的通光孔径即为场阑直径，即：DP=D场=2f12tgw=2261.54tg0.8=6.78mm根据乘常数的定义：bfk12得视距丝间隔mm..kfb42921005426112四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径1、像方视场角由tgwwtg-Γ，得：tgw=-tgw=24tg0.8=0.33512499所以像方视场角2w=37.05。2、出瞳距出瞳距的确定可由入瞳逐面用成像公式计算而得：因lz1=0，所以lz1=0，lz2=lz1-d0=-111.94d0f10y1F1D1D2-w图2-5调焦镜的通光孔径-f3lzy2F3D3Dw图2-6目镜的成像光路64.492222-flfllzzz82.117302223-fL-d-l-dllzzz于是得出瞳距为：mmflflllzzzz07.1133333、目镜的通光孔径由图2-6可得，目镜的通光孔径为：92.88024071225123.tg..wtglDDz4、目镜的视度调节为了适应不同视力的人眼观察的需要，目镜应具备视度调节功能。目镜的视度调节范围一般取5个折光度，它是通过目镜相对于分划板前后移动一定和距离来实现的。因此，视度调节时，目镜的最大移动范围为：51010001210510005223..fx五、调焦镜的调焦移动量在调焦过程中，调焦镜沿光轴前后移动，其移动量必须保证对无穷远至有限远最短视距范围内的物体能调焦清晰。一般情况下，调焦镜的初始位置对应无穷远物体，因此，只须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置，就可以确定出调焦镜的移动量。2111421f-Ll-LlL-ld=132.28mm于是得调焦镜的调焦量：d=d–d0=132.34–111.94=20.34mm用压圈法得：主物镜调焦镜分划板目镜通光孔径3611.736.788.92外径38.513.37.810.03、结构选型；在本设计中，主物镜的相对孔径约1:4，调焦镜的相对孔径1:5.6，因此，主物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜。c)a)b)d)4、初始结构参数求解；1、求解主物镜初始结构参数1.1确定基本像差参量根据像差校正的要求，令L=0、SC=0及LFC=0，即SI=SII=CI=0。即：0002223334IIzIIIChCWJhPhhSPhS得：0ICWP这只是物体在有限远时的像差参量，还必须将其规化到无穷远。于是，由公式（3-18）可求得规化后的基本像差参量如下：00WWPP1.2选择玻璃组合玻璃组合选择的依据是P0和IC，同时，还必须注意：当W是较小的正值（0W1）时，应尽可能取冕牌玻璃在前；当W是较大的负数（-3.5W-2.5）时，则尽量取火石玻璃在前。这样可使双胶合透镜胶合面曲率半径较大，减小高级球差，有利于像差校正。这里，我们取火石玻璃在前。根据公式（3-35）计算P0如下：P0=00.85(0+0.1)2=-0.0085根据P0和IC，查“光学设计手册”中“双胶合物镜P0表”选取玻璃组合。如果IC与表中所给数值不符，可用插值法求出不同玻璃对的P0；如果所选玻璃对的P0与要求的值（本设计实例为0.078）相差不大（如0.1），就能基本满足要求。通常D/f越小，P0允许误差越大，它对P的影响越小。这样可从表中查出若干对玻璃组合来，然后再从中挑选。挑选时考虑的主要因素有：1）玻璃的理化性能好；2）球面半径尽可能大：一般1和Q0绝对值比较小的玻璃胶合面半径较大，这样，胶合面产生的高级像差会较小，有利于后续的像差校正；3）玻璃的成本、库存或供应情况：一般尽可能选择常用光学玻璃。具体到本例，我们至少可以挑选出如下四对玻璃组合：(K3,ZF2):P0=-0.029;(K7,ZF3):P0=0.012;(K9,ZF2):P0=0.038;(ZK3,BaF8):P0=-0.018;本例选用BaF8（n2=1.6259,2=39.1）和ZK3（n1=1.5891,1=61.2）组合，再查“双胶合薄透镜组的参数表”，得：P0=-0.017831，Q0=-5.974057，W0=-0.098296，1=2.769230，A=2.308972，K=1.654486。1.3求形状系数Q形状系数由式（3-36）和（3-37）确定。由（3-36）式一般可求出两个Q值，选取和（3-37）式计算结果相近的解，作为双胶合薄透镜组的形状系数，也可以取二者的平均值。在本例中：APPQQ002,1=-5.886179,-6.061935KWWQQ003=-5.914645为兼顾球差和正弦差，取二个相近结果的平均值，作为形状系数，得：Q=-5.9004121.4求薄透镜组各球面的曲率半径在规化条件下，f=1，由（3-26）式可以求得各面的规化曲率如下：1=1.5695992=-3.1311823=0.404290则焦距f=147.11mm时对应的曲率半径为r1=f/1=93.725mmr2=f/2=-46.982mmr3=f/3=-483.14mm1.5薄透镜加厚以上所求的是厚度为0的所谓薄透镜组，这种薄透镜对应理论分析与求解是有重要作用的，但无任何实际应用意义，也就是说，任何实际透镜都有厚度。因此，必须将上述薄透镜加厚。透镜的厚度不仅与球面半径和透镜直径有关，还涉及透镜的装夹方式、质量要求和加工难易程度等因素。透镜厚度的确定大致可分为如下三步：1.5.1确定透镜的全直径采用压圈法固定，外径=38.5mm。1.5.2确定透镜的中心厚度透镜中心厚度的确定除了与球面曲面半径和透镜外径有关外，还要考虑透镜焦距、精度及加工情况。一般有两种方法确定：作图法和计算法。作图法是根据《光学设计手册》中有关光学零件中心和边缘厚度的规定（GB1205-75标准，见表3-2），按实际口径作图确定。计算法主要考虑透镜在加工、装夹过程中不易变形，根据中心厚度D、边缘厚度t和外径D之间满足一定经验公式来确定，这种经验公式参见《光学设计手册》。由图10-3得，透镜中心厚度、边缘厚度与两球面矢高的关系为：d=tx2+x1（3-47）式中x1、x2为球面矢高：22)2/(Drrxiiii=1,2（3-48）我们取d1=8.0mm，d2=1.0mm。计算出中心厚度和边缘厚度后，可按实际尺寸（或按比例）作图验证。1.5.3确定厚透镜的曲率半径由公式（3-3）可知，当每个球面的u和u不变时，P、W保持不变，放大率=nu/nu亦不变。另一方面，当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则系统的光焦度也不变。根据这两个原则，透镜由薄变厚时，一般需把由薄透镜确定的曲率半径值，变x2x1t1t2d2d1-x3DQ图3-3透镜边缘厚度与中心厚度的关系表3-2透镜中心及边缘最小厚度透镜直径D/mm正透镜边缘最小厚度t/mm负透镜中心最小厚度d/mm3~66~1010~1818~3030~5050~8080~120120~1500.40.60.8~1.21.2~1.81.8~2.42.4~3.03.0~4.04.0~6.00.60.81.0~1.51.5~2.22.2~3.53.5~5.05.0~8.08.0~12.0换为相应的厚透镜的曲率半径值。当相对孔径不大时，D、r和d都较大，可不作厚度变换。这样引入的像差、放大率、焦距和共轭距离变化都较小，可在后续的像差校正中予以修正。这样，我们就确定主物镜的初始结构参数如下：ird玻璃nD193.725mm8.0ZK31.58912-46.982mm1.0BaF81.62593-483.14mm2.求解调校镜初始结构参数按求解主物镜步骤确定调校镜的初始结构参数如下ird玻璃nD134.643mm1.6F31.61642-235.188mm1.0ZK101.6220321.463mm5．目镜初始结构参数及分划板选择f3=10.122w’=43ird玻璃nD130.370150.7F21.612829.2998443.15K91.51633-12.1470450.16412.1470453.15K91.51635-9.2998440.7F21.61286-30.37015分划板d=1.5mm,K9玻璃。6．用ZEMAX软件进行像差校正1.自动优化校正像差采用自动优化方法对主物镜参数进行优化，设定曲率半径为变量，默认ZEMAX优化函数，同时增加焦距，并设定其有较大的优化权重即可。2.手动优化校正像差调整主物镜，由于D光边缘球差主要取决于第三面的曲率半径，而0.707带色差则由1223(,)决定决定，这就是手动调整的基本原理。经多次尝试，得到一组能使整体像差满足。1.主物镜调节前色差曲线波像差0.56432．主物镜调节后色差曲线波像差0.2763边缘带D光球差0.0095，0.707带色差0.0022,均小于主物镜一倍焦深，符合要求。3．调校镜调节前色差曲线波像差0.04294．调校镜调教后色差曲线波像差0.0159边缘带D光球差0.0058，0.707带色差0.0122,均小于调校镜六倍焦深，符合要求。5.半径系列化后主物镜，调校镜和分划板色差曲线及光路图可见，D光边缘球差和0.707带色差均小于1倍焦深，故上述规划设计可行。6．半径系列化后整体系统光路图7.半径系列化后整体系统参数8、绘制光学系统图与光学零件图；LT-lF3lpd1d2d3d4d55d6d7d8d990d20d10lz-f3Df1D1f2D2f3D3