应用光学课程设计一.题目:8倍观察镜的设计 二.设计要求全视场: 2ω=7°; 出瞳直径: d=5mm ; 镜目距: p=20mm ; 鉴别率: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=10mm ; 棱镜:别汉屋脊棱镜,材料为K10; 目镜:2-28。
三.设计过程 (一)目镜的计算 1.目镜的视场角︒=⇒⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==Γ1451.52'25.3tan 'tan 8tan 'tan ωωωω 2.由于目镜存在负畸变(3%~5%),所以目镜的实际视场角为:︒=⨯=+=7524.5405.11451.52%51'22')(实际ωω3.目镜的选型:目镜2-28如下图所示:相应的系统参数为:mm f 216.20'=;︒=57'2ω;mm S f 49.4'=;mm d 5=其结构参数如下表所示:4.目镜倒置目镜倒置后的结构参数如下表所示:5.手动追迹光线,求出倒置后的S f’用l 表进行目镜近轴光的追迹,如下表所示: 通过光线追迹得到S f’=18.276mm 6.计算出瞳距p ’望远系统的结构图如图所示:由于孔径光阑是物镜框,则孔径光阑经目镜所成的像为出瞳,则Γ+=⇒Γ=-⇒-=-⇒⎪⎭⎪⎬⎫=-=-='2''2''2''1'22''1')'()'('''f S p f S p f S p f f f xx S p x f x f f f fmmp 803.208216.202760.18'=+= 求得的出瞳距mm p 803.20'=与设计要求mm p 20'=较接近,因此选择的目镜满足要求。
(二)物镜的计算 1.物镜焦距mm f f f f e o eo 728.161216.208''''=⨯=⋅Γ=⇒=Γ2.物镜视场2ω=7° 3.物镜入瞳直径mm d D dDD D 4058'=⨯=⋅Γ=⇒==Γ 4.物镜的相对孔径0432.411''==D f f D o o5.物镜的选型本设计的相对孔径和视场角都不大,可以选择较简单的双胶合物镜结构形式。
如图所示:(三)分划板的计算 1.分划板直径:分划板放置在物镜的像方焦平面处,如图所示:mm f D o 7834.19728.1615.3tan 2tan 2'=⨯︒⨯=⋅=ω分2.分划板厚度d 分及其公差根据分划板直径D 分=19.7834mm ,查下表得d 分=3±0.5mm 3.鉴别率''6''5.340''140''140<===D α 因此,满足要求。
(四)棱镜的计算 1.棱镜的选型别汉屋脊棱镜,材料为K10,如图所示:D L 155.5=2.棱镜的展开长度155.5=⇒⨯=K D K L 棱3.棱D 的求取,如图所示:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===+=++==⨯-⨯=⋅-=182.51155.5//01370572.09204572.19tan )(200685286.0728.16127834.194055.02tan '1棱棱分棱分D n KD n L d d d a D D f D kD oαα mm 9275.820=⇒棱D由于棱镜需要安装固定,因此棱镜的实际使用棱D 应在求得值基础上适当增大,可取增量2mm ,将值进行规整得:mm D 23=棱,mm d 9407.70=,mm L 702.107=4.求b 值初步确定系统的结构形式如图所示:mm d a f b o 7873.809407.7010728.161'=--=--=四.像差计算望远镜物镜属于小像差系统,因此只考虑球差、正弦差及位置色差。
(一)棱镜初级像差(1)'m u 如图所示:123664.0728.161202tan ''===o mf D u 物 rad u m 12304.004966.7'=︒=⇒(2)z u 如图所示:rad u z 061087.05.3-=︒-=-=ω(3)棱镜的球差mm Lu n n LA m 304.012304.0702.1075182.1215182.1212322'32'=⨯⨯⨯-=-=棱(4)棱镜的正弦差mm y u LA y u Lu n n SC z z m 001877.027834.19061087.0304.0''21'2'32'-=-⨯=⨯=⨯-=棱棱(5)棱镜的位置色差mm n n LL n n L DFCFC 41075.05182.115182.195.58702.1071222'=-⨯=-⨯=⨯=∆νδ棱 (6)拉赫不变量21707.127834.1912304.01'1=⨯⨯==y u n J m(二)物镜初级像差 (1)物镜的球差mm LA LA 304.0'-=-=棱‘物(2)物镜的正弦差mm SC SC 001877.0=-=‘棱’物(3)物镜的位置色差mm L L FC FC 41075.0'-=∆-=∆棱‘物(三)双胶合物镜的结构参数 (1)像差系数球差系数:()009204.0304.012304.012'22'2'1=-⨯⨯⨯-=⨯-=∑物ⅠLA u n S mk正弦差系数:004569.0001877.021707.122'1-=⨯⨯-=⨯-=∑物ⅡSC J S k位置色差系数:()006218.041075.012304.01'22'1=-⨯⨯-=∆⨯-=∑’物ⅠFC m k L u n C (2)规化的P 、W 、C 、0P由于望远系统对无穷远成像,因此有P P =∞,W W =∞()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=+-⨯-=+-==⨯=Φ=-=⨯⨯-=Φ==⨯=Φ=∞∞∑∑∑22535.01.024548.085.024334.0)1.0(85.0002514.0728.161/120006218.024548.021707.1728.161/120004569.024334.0728.161/120009204.0222222223434W P P h C C J h S W h S P ⅠⅡⅠ (3)选取玻璃对组合《光学仪器设计手册》第108页有不同的玻璃对组合,选择与0P 值最接近的玻璃对组合作为双胶合的材料。
玻璃对的选择采用内插法如图所示:(至少选择8组)2202121C C P P C C P P --=--)005.0,002.0(002514.0⊂=C①⎪⎩⎪⎨⎧==-==+938.0,005.0053.0,002.0292211P C P C F K002486.0938.0003.0938.0053.00--=---P 11679.00=⇒P②⎪⎩⎪⎨⎧==-==+96.0,005.0012.0,002.0392211P C P C F K002486.096.0003.096.0012.00--=---P 154536.00=⇒P ③⎪⎩⎪⎨⎧====+983.0,005.0032.0,002.0492211P C P C F K002486.0983.0003.0983.0032.00--=--P 194938.00=⇒P ④⎪⎩⎪⎨⎧====+018.1,005.0098.0,002.0592211P C P C F K002486.0018.1003.0018.1098.00--=--P 255626.00=⇒P⑤⎪⎩⎪⎨⎧====+184.1,005.041.0,002.0192211P C P C ZF K002486.0184.1003.0184.141.00--=--P 54261.00=⇒P ⑥⎪⎩⎪⎨⎧====+306.1,005.0637.0,002.0292211P C P C ZF K002486.0306.1003.0306.1637.00--=--P 75162.00=⇒P⑦⎪⎩⎪⎨⎧====+49.1,005.0977.0,002.0392211P C P C ZF K002486.049.1003.049.1977.00--=--P 06489.10=⇒P⑧⎪⎩⎪⎨⎧-==-==+014.0,005.0626.1,002.02102211P C P C F K002486.0014.0003.0014.0626.10-+=-+-P 34981.10-=⇒P 综上,第三组K9+F4求得的0P 值与要求最接近,因此选择该玻璃对作为双胶合物镜的玻璃材料。
(4)玻璃对确定后,记录下该组合所对应的参数量值:1φ、A 、B 、C 、K 、0Q 、0W ⎩⎨⎧==1.645163.19νn K ,⎩⎨⎧==3.366199.14νn F 同样采用内插法,求出C 所对应的1φ、A 、B 、C 、K 、0Q 、0W 值(5)形状系数2498.6439913.44114.2194938.024334.054081.4001--=-±-=-±=∞或A P P Q Q 63785.47057.1079953.024548.054081.4'00-=+-+-=-+=∞K W W Q Q1Q 值选取与'Q 接近的值,即68249.41-=Q66017.4263785.468249.42'1-=--=+=Q Q Q(6)求双胶合各面的曲率半径⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=---⨯-=--+-==-⨯-=+-=-=-=+=797868.016199.1166017.409534.216199.16199.111149355.166017.409534.215163.15163.1156483.266017.409534.221223111112n Q n n Q n n Q φρφρφρ(7)半径缩放⎪⎩⎪⎨⎧-=-==-=-=====mm f r mm f r mm f r o o o 7002.20244526.0728.161056.6356483.2728.1612843.10849355.1728.1613'32'21'1ρρρ (8)手动光线追迹用l 表进行双胶合物镜近轴光的追迹。