光学课程设计报告姓名：***班级：光信0802学号：U*********目录1.设计任务及要求 (2)1.1设计任务 (2)1.2设计技术要求 (2)2.设计步骤 (2)2.1总体设计流程图 (2)2.2光学系统外形尺寸的计算 (3)2.2.1 望远镜基本结构参数的确定 (3)2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算 (3)2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算 (5)2.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算 (8)2.3像差调节 (10)2.3.1物镜的调节： (10)2.3.2目镜的调节： (12)2.3.3像质评价 (15)4.附录：零件图与系统图 (16)4.1双胶合物镜正透镜零件图 (17)4.2光学系统图 (18)1.设计任务及要求1.1设计任务双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）1.2设计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、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。

2.设计步骤2.1总体设计流程图2.2光学系统外形尺寸的计算2.2.1 望远镜基本结构参数的确定焦距：由D/f1’=1：4，f1’=4D=120mm。

又因为Γ=f1’/f2’，f2’=f1’/Γ=20mm。

出瞳大小：D’=D/Γ=5mm。

分划板口径：D分=2f1’tanω=16.7824mm。

出瞳的视场角：因为Γ=tanω’/tanω ，ω=4°，2ω’=45.522°。

2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算普罗Ⅰ型转向棱镜基本结构如下：普罗Ⅰ型转向棱镜是由两块等腰直角棱镜所构成的，具有转向的功能，可以解决开普勒望远镜成倒像的问题，使其成正立的实像，在本双筒望远镜系统中，棱镜位于目镜与分划板之间，对一块等腰直角棱镜进行棱镜的展开如下：如图，D为棱镜的通光口径，L为棱镜的展开长度，由几何关系可知：L=2D。

即可以将一块等腰直角棱镜展开为厚度为L的玻璃平板，玻璃平板又可以等效为厚度d=L/n的空气平板，其中n为玻璃平板的折射率。

因此系统可以等效为由物镜、目镜、分划板、两空气平板所组成得系统。

将两空气平板放置在物镜与分划板之间，结构图如下：目镜空气平板分划板物镜由于系统可以50%渐晕，对于以最大视场角入射的平行光，如下图所示，分划板可以拦掉下半部分全部光线，使上半部分的光线全部通过。

但是此法使最中间的光线不能全部通过而产生50%的渐晕，将使最终的成像质量比较差。

物镜分划板为了解决上述方法带来的主光线成像质量的问题，采用下图所示的方法，使上下各25%的光产生渐晕，从而保证中间视场成像清晰。

其中，下半部分25%的渐晕由目镜完成，上半部分25%的渐晕则借助于空气平板来拦光。

物镜空气平板分划板当上光线的一半刚好被空气平板拦住时，几何关系如下图所示：hD 目/4 =7.5D 分/2=8.3912AB CDE三角形ADE 中，由平行关系可以得到：ℎ−D 4D 分2−D4=120−a 120因为a>=14，取a=14.1，可以解之得：h=8.2864mm ，因此通光口径D=2h=16.5670mm ，为了给棱镜的装夹预留空间，通常使D 稍大于2h ，取D=16.6mm ，则L=2D=33.134mm ，空气平板厚度d =L/n =21.8954mm （棱镜材料采用最常见的K9玻璃，n=1.5163）而平板间距b 规定为2~5mm ，取b=2.5mm ，所以第一块玻璃前表面到棱镜的距离为：C=120-a-b-2x d =120-14.1-2.5-2x21.8954=59.6092mm 。

系统整体框架图如下：正视图由图中的几何关系可知：物镜、目镜的间距为：l=c-b+a+20=91.2092mm ，因此目镜的口径为：D 目=[(f1’+f2’)tanw+D ’/4]x2=22.0795.2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算外形尺寸：D=30mm ，f1’=120mm ，ω＝4°，sinU’m ≈tanU’m =12/f D =15÷120=0.125⑴物镜类型的选择像质上，由于望远物镜视场比较小，所以只需要校正球差、色差和正弦差等轴上点像差即可。

我们选择折射式望远物镜，主要有以下三种。

I.双分离物镜，优点是对玻璃的选择有较大的自由度，但是装配和校正都较麻烦，有较大的色球差，不宜在本设计中使用。

II.三片型物镜，由一个胶合透镜组和一个单片透镜组成，有利于高级球差和色球差的校正，但是装配与校正工艺较复杂，成本高，不宜采用。

III.双胶合物镜。

特点是结构简单，制造与装配方便，但只适合小孔径的场合（最大100mm ），视场角不超过10，本物镜口径30mm ，最大视场角8，满足要求，故选择双胶合物镜。

⑵PW 法计算物镜的初始结构（双胶合物镜） ①求h ，h z ，Jh=15，h z =0，J=nuy=n ’u ’y ’=1x0.125x8.3912=1.0489 ②计算平行平板的像差 006041.0125.05163.115163.12.3321432432-=⨯-⨯⨯-=--=I u n n d S P003374.0125.0180/4006041.0=⨯--='=I ∏πu u S S z P 003634.0122-=--=I u n n d C ν③物镜的像差要使 物镜+平板 系统的像差最小，即可以让二者的像差之和为零，互相抵消，即：003634.0,003374.0,006041.0=-==I ∏I C S S ④ 求P 、W 及归一化 0004027.0==IhS P ，因为003217.0J S W 所以,-===∏∏JW S使P 、W 归一化得：,2062.0)(3==ϕh PP2059.0)120/115(003217.0)(22-=⨯-==ϕh W W 001938.0,2059.0，2062.0所以2==-====I∞∞ϕh C C W W P P⑤选物镜组合及其结构计算选择火石玻璃在前的双胶合物镜，可知 ,2062.0)2.02059.0(85.02062.0)2.0(85.0220=+-⨯-=+-=∞∞WPP 根据P 0、C I 的值从光学仪器手册中查找火石在前的玻璃组合，选取玻璃对F4+K3，同时可查得此对玻璃组合的参数为：6199.11=n 504558.12=n1ϕ=-1.112774，Q 0=5.087553，P 0=0.217434，W 0=-0.224789 所以06914.0087553.535.200±=-±=∞P P Q Q076.567.1224789.02059.0087553.567.100=+--=--=∞W WQ Q <Q 0因此Q=5.087553-0.06914=5.0184根据Q 值求r 1，r 2，r 32560.0,1212=+=r Q r ϕ4737.0,11112111=+-=r r n r ϕ561.3,111132123-=---=r n r r ϕ归一化还原可得物镜的初始结构：35.4271,72.301,844.561313212111-='=='=='=r f mm r f mm r f ρρρ⑥透镜厚度的计算将双胶合物镜翻转180度，如下图所示：正透镜在前，负透镜在后。

图中从左往右各面的半径依次为：r1，r2，r3，由上面计算的结果可知：r1=427.35，r2=-30.72，r3=-56.844，由几何关系：2633.008.42735.427)2/(11122=-=--=D r r x同理可得：015.23,911.32-=-=x x 透镜最小边缘厚度为75.110|)2||1(|3=+-=x x D t于是正透镜厚度为：92.5|2||1|2=++=x t x d 4对负透镜，52.410|3|8|2|8=-+=x x D t62.2|3||2|1=+-=x x t d 4所以： 厚度d 1=2.624 d 2=5.9242.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算⑴目镜类型的选择目镜是小孔径、大视场、短焦距、光阑远离透镜组的光学系统，像差较为复杂。

重点考虑影响清晰度的彗差（II S ）、像散（III S ）、场曲、倍率色差和畸变。

目镜一般的种类有： I.惠更斯目镜：由场镜、视场光阑及接目镜组成，但是由于分划板的存在，使目镜结构复杂化了，不宜在本设计中使用。

II.冉斯登目镜：由场镜与接目镜组成，但是其能适应的视场为2ω=30°~40°，而本设计中2ω’=45.5°，不宜采用。

III.对称式目镜：由两个双胶合透镜组成，但是2ω=40°~42°，而且结构较复杂，不宜采用。

考虑到视场与复杂度，选择凯涅尔目镜，它是由一个接眼镜与场镜组成，接眼镜为一个双胶合透镜。

参数如下：f 2’=20mm ，2ω’=45.522°，D 目=5mm ，l z :8~10mm 。

对于接眼镜，按照一般经验，取f ’眼=1.2f ’2=24mm 。

⑵ PW 法计算接眼镜与场镜的初始结构接眼镜 场镜出瞳由于目镜的入瞳距较大，出瞳距较小，故采用反追的方法，即出瞳看做入瞳，所有的量都变号，如此可以大大简化分析与计算的复杂度。

①根据像差要求求P 、W.选择火石在前的双胶合透镜，要使彗差、场曲为零，则使,0,0III II ==S S 即 0II =+=∞∞WJ Ph S z0222III =++=∞∞JWh J P h S z z又因为 20)15.0(85.0++=∞∞WP P解得：006.2,4.0P WP h z ==∞因为417.0241010,1而归一化后，,眼-=-='-=-==f l u u l h z z z z z∴417.0=z h （代表归一化后的入瞳距），代人上式得 ②查表并求出接眼镜的初始结构,0C 令,920.0)4.0(20===zh P 根据0P 、C 的值从光学仪器手册中查找火石在前的玻璃组合，选取玻璃对ZF6+ZK10,同时可查得此对玻璃组合的参数为：6220.1,7550.121==n n ，994960.3,941780.010=-=Q ϕ 195197.0,912590.000-==W P ，由以上参数可以算得： 6245.267.1,4838.26.2000=-+===∞∞W WQ Q P W5943.01r 12=+=Qϕ2975.2r 所以,43526.05943.01755.0941780.011112111==+-=+-=r n r ϕ69483.0r ，所以5358.1622.0941780.15943.01111132123==-=---=n r r ϕ归一化还原可得接眼镜的初始结构：676.161,263.141,14.551313212111-='=='=='=r f mm r f mm r f ρρρ③求出场镜的初始结构对场镜：143.1710/124/11,101111111-=-='-='=-'z z z z l l f l l ，因为场取d=17mm ，143.3417143.172-=--=z l考虑到透镜的厚度，取402-=z l ，因为1244120,4,22=+='='>'z F Fl l l 所以取 由场f l l z z '=-'11122，244.3040/1124/11=+='场f 场镜用K9玻璃，则615.15244.305163.015163.0))(1(54=⨯=⨯=--=r rn ，ρρφ 考虑到透镜的厚度对像差的影响比较小，而且一般取整数或者一位小数，取d1=1.5mm d2=4.5mm2.3像差调节以上过程计算的光学系统初始结构的过程都只考虑了初级像差，没有考虑高级像差，因此与实际相比均存在较大的误差，需要对像差进行进一步的调节。