10倍的双目望远镜-光学设计.doc

设计一个8倍的双目望远镜
设计题目规定：
设计一个8倍的双目望远镜，其设计规定如下：
全视场：2ω=5º；
出瞳直径：D´=5mm；
出瞳距离：lz´=20mm；
分辨率：α=6"；(R=5")
渐晕系数：K=0.64；
棱镜的出射面与分划板之间的距离：a=10mm；
棱镜：屋脊棱镜；L=2.646D
材料：K10；
目镜：2-35
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，但目镜自身一般并不需要设计，当系统需要使用目镜时，只要根据技术规定进行相应类型的选取即可。
1、一方面根据已知的视觉放大倍数Γ及视场2，求出2

2、由于目镜有负畸变（3%~5%），所以实际应取：

3、根据实际所需要的2数值。出瞳直径值及镜目距值等，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当作为已知条件给出，如：目镜2-35。

图2-1
目镜2-35（结构图见2-1）
此外设计手册中还提供有相关的结构数据参数表2-1及重要的系统数据；
表2-1

108.650
6
1.5163
64.1
27.4
-33.31
0.2

28.3
108.650
2
1.6199
36.3
29.4
21.810
11.5
1.5163
64.1
29.7
-41.72
0.2

30.2
24.910
13.5
1.5163
64.1
29.3
-24.910
2.5
1.6199
36.3
26.7
33.310

23.3
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。此种情况相称于将目镜倒置，故而它所给出的我们不能直接加以运用，这里是指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2-35为例，本来的第一个折射面（）变为第八个面（），本来的第二个折射面（）变为第七个折射面（）……，以此类推。值得注意的是：不仅折射面的顺序发生变化，与此同时其半径的符号也将发生相应的改变，本来为正，则现在为负。倒置后的新的数据如下表2-2所示：

-33.310
2.5
1.6199
36.3
23.3
24.910
13.5
1.5163
64.1
26.7
-24.910
0.2

29.3
41.72
11.5
1.5163
64.1
30.2
-21.810
2
1.6199
36.3
29.7
-108.650
0.2

29.4
33.31
6
1.5163
64.1
28.3
-108.650

27.4

5、进行追迹光线，求出倒置后的：
追迹过程:用MATLAB编写程序如下
l=;
u=0;
y=5;
r=[-33.310 24.910 -24.910 41.72 -21.810 -108.650 33.310 -108.650];
d=[2.5 13.5 0.2 11.5 2 0.2 6]；
n=[1 1.6199 1.5163 1 1.5163 1.6199 1 1.5163 1];
len=length(r);
for j=1:len
fprintf('%d surface :\n',j);
if l>=
u=0;
if r(j)==0
continue;
else
i=y/r(j);
i2=i*n(j)/n(j+1);
u2=i+u-i2;
l2=i2*r(j)/u2+r(j);
end
else
if r(j)==0
i=-u;
i2=i*n(j)/n(j+1);
u2=-i2;
l2=l*u/u2;
else
i=u*(l-r(j))/r(j);
i2=i*n(j)/n(j+1);
u2=i+u-i2;
l2=i2*r(j)/u2+r(j);
end
end
fprintf('l=%f,u=%f,i=%f,i2=%f,u2=%f,l2=%f\n',l,u,i,i2,u2,l2);
if length(d)>=j
l=l2-d(j);
else
l=l2;
fprintf('finished:Sf=%f',l);
end
u=u2;
end

追迹结果:
1 surface :
l=.000000,u=0.000000,i=-0.300210,i2=-0.185326,u2=-0.114884,l2=-87.044473
2 surface :
l=-89.544473,u=-0.114884,i=0.527859,i2=0.563924,u2=-0.150949,l2=-68.150078
3 surface :
l=-81.650078,u=-0.150949,i=-0.343833,i2=-0.521354,u2=0.026572,l2=463.842376
4 surface :
l=463.642376,u=0.026572,i=0.268724,i2=0.177223,u2=0.118072,l2=104.340746
5 surface :
l=92.840746,u=0.118072,i=-0.620680,i2=-0.580985,u2=0.078377,l2=139.861723
6 surface :
l=137.861723,u=0.078377,i=-0.177826,i2=-0.288060,u2=0.188611,l2=57.288022
7 surface :
l=57.088022,u=0.188611,i=0.134638,i2=0.088794,u2=0.234455,l2=45.925301
8 surface :
l=39.925301,u=0.234455,i=-0.320609,i2=-0.486140,u2=0.399985,l2=23.402553
finished:Lf=23.402553
得到目镜倒置后的值为（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值）。
6、计算出瞳距：
望远系统的简朴结构图如下所示：

图2-2
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：

公式中的分别是指计算出瞳位置时的物距和像距。则根据牛顿公式有：

根据所求得的出瞳距=25.902553，与题目规定的出瞳距值进行比较。发现两者比较接近，则认为所选择的目镜基本满足规定，从而最后拟定了目镜的结构类型。

二、选择物镜的结构形式以及一些重要数据
1、根据目镜焦距求取物镜焦距：
==25.00x10=250
2、求物镜的视场2：从题意中得出。
2ω=5º
3、求物镜的通光孔径：

求得D=50mm
公式中的（是题中所给出的出瞳直径值）
4、 求取物镜的相对孔径：
D/=50/200=0.25mm
5、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2-3所示：

图2-3
6、物镜设计

选择K9（，）和 F5（, ）作为材料
求得：

使正透镜厚度 d=6mm 负透镜厚度 d=3mm.
使r1= -r2

得 =66.19mm

得 mm.

三、计算分划板
1、计算分划板直径：
=17.46mm
2、 查表求取分划板厚度及其公差值。
所求的厚度及公差值为20.3
3、求鉴别率：

求的 ="

四、计算棱镜
由于开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（棱镜出射面与分划板的距离）。假如无特殊规定，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P83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。
本设计中棱镜的类型采用的是屋脊棱镜；L=2.646D

图2-4
2、棱镜的展开：

图2-5
屋脊棱镜
,展开长度: L=2.646，是棱镜的等效空气平板厚度,
K=0.64 是渐晕系数; a=10mm棱镜的出射面与分划板之间的距离

棱镜材料选择K9,n=1.5163.由上述可求得：

五、10倍双目望远镜光学系统结构
通过以上分析，初步拟定系统结构形式如下图所示：

最终计算结果：
目镜：f’=25mm =
镜目距: P’=25.902553mm
物镜：f’=250mm 2ω=5º D=50mm
分划板：D=16.35mm
棱镜: D1=mm D2=mm L=mm
物镜到棱镜第一面距离：t=204.960555mm
通过以上分析，初步拟定系统结构形式如下图所示：

5mm
40mm

普罗Ⅰ型棱镜
20.24mm
19.48mm

出瞳
L=53.13mm
50mm
物镜
t=204.96055mm
屋脊棱镜
10mm
P’=25.902553mm
目镜
16.35mm

分划板

图7 10倍双目望远镜光学系统结构简图

六、设计总结

本次光学设计我感受颇多，真正感受到自己知识的局限性，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，此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，也结识到了自己局限性的地方。很多问题都是在同学之间的讨论中解决的，这也增长了大家对设计的理解。