汉口学院
《应用光学》
课程设计报告
报告题目：双筒棱镜望远镜设计学生：
学号：
专业班级：
授课老师：
二O一四年十一月
双筒棱镜望远镜设计
设计任务与要求
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、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；
5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。
6、lz ′>8～10mm
目录
一、外形尺寸计算
二、初始结构的选型
三、物镜初始结构参数的计算
四、物镜zemax的初始上机数据及像差图示
五、物镜zemax的校正数据及像差图示
设计步骤
一、 外形尺寸计算 已知望远镜参数：
Γ＝6，入瞳直径30D mm =，相对孔径
'
1:4D
f =，2ω＝8°，L=110mm ； 视场边缘允许50%的渐晕；
棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm 1、求1'f ，2'f
物镜焦距'14120f D mm =⨯=
目镜焦距''12
120
206
f f mm ==
=Γ
2、求'D 出瞳直径'5D
D mm =
=Γ
3、求视场直径
16.7824mm =tan4f 2=D '1ο⨯⨯视
4、求目镜视场2ω
ο5.452tan =tan ''=⇒Γωωω
该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：
将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：
目镜口径D 目无渐晕时候，，现在有25%的渐
晕，所以
由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统，使像质较好。
在上图中截取平板拦光部分的梯形进行研究，如下图，可得比例关系：
7.51208.39127.5120
h a
--=-
其中a 为第二块平板的后表面到分划板的距离，根据要求，可取
14a mm =。
解得：8.287h mm = 由此可得：
等效平板厚度216.574D h mm ==
所以棱镜展开的实际厚度：33.148L KD mm ==
考虑到棱镜的装配，取33.5L mm = 因此，等效空气平板厚度33.522.11.5163
L d mm n =
== 考虑到棱镜通光口径有限，因此需考虑到全孔径全视场的光线要能通过棱镜的第一个面（如下图），则物镜到第一个棱镜前表面的最小距离必须满足：
其中_
c 为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。
实际物镜到第一个棱镜前表面的距离：
120259.8c a b d mm =---=
其中b 为普罗I 型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取2b mm = 由_
c c >知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。
二、初始结构的选型
根据设计技术要求与外形尺寸计算结果：
物镜：'/1:4D f =，28ω=o ，'120f mm =
目镜：'20f mm ='245.5ω=o ，5D mm =，'8~10z l mm >
由查阅资料与老师讲解知，物镜为大孔径小视场，而目镜为小孔径大视场系统，可知双胶合物镜与凯涅尔目镜满足设计任务要求。
望远镜：孔径大，视场小，所以轴外像差小，只需要校正轴上点像差。
两种轴上点像差：球差、位置色差。
与孔径相关。
其余轴外像差：与视场相关，但慧差与孔径和视场都相关，所以也要考虑慧差。
所以：
对于物镜：校正球差、位置色差、慧差（用正弦差代替）
对于目镜：大视场，小孔径。
要校正：像散、场曲、畸变、慧差、倍率色差。
相关的结构特点，像差特性和光学性能如下：
双胶合望远物镜，结构简单，制造和装配方便，光能损失较小。
玻璃选择得当，可以同时校正球差，正弦差和色差。
当高级球差得到平衡时，胶合面的曲率较大，剩余的带球差偏大。
因而，双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。
常见的孔径如表所示。
考虑到胶合面有脱胶的概率，双胶合物镜的口径不宜过大，最大
口径为100mm
凯涅尔目镜，接目镜为双胶镜，增加一个胶合面变数用来校正倍率色差，且在校正倍率色差的同时可以把场镜和接目镜的间隔进一步减小，从而取得结构缩短，场曲减小的效果。
三、物镜初始结构参数的计算
1.
2.求平板像差
（由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差）u=0.125，u Z
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
-
=
-
-
=
∑
=
=
∑
-
=
-
-
=
∑
∏
003667
.0
)1
(
003404
.0
(
006096
.0
1
2
2
2
4
3
2
u
n
n
d
C
u
u
S
S
u
n
n
d
S
IP
Z
IP
P
IP
ν
3.求物镜像差
双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。
（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）
（1）
（2）P、W
（3）将P、W
（4）物本身位于无穷远，则
（5）
取冕牌在前，则
（6）选玻璃
根据___0.001956
C 与0P查阅《光学仪器设计手册》，选取K9-F5玻璃对。
初始数据为：
（7）求形状系数Ｑ
（8）求归一化条件下透镜各面的曲率
（9）求薄透镜各面球面半径
（10）求厚透镜各面球面半径
凸透镜最小边缘厚度：
最小中心厚度：
凹透镜最小边缘厚度：
最小中心厚度：
四、物镜zemax的初始上机数据及像差图示
1.初始上机数据
2.像差图示
2D草图
光线像差特性曲线
光路特性曲线
标准点列图
五、物镜zemax的校正数据及像差图示
1.校正数据
2.像差图示
2D草图
光线像差特性曲线
光路特性曲线
标准点列图。