工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

摘要這次設(shè)計(jì)是進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸、和各光組的結(jié)構(gòu)等，完成一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)可分為兩步走，第一步，外形尺寸設(shè)計(jì)，第二步，像差設(shè)計(jì)，及像差的校正，第一步非常重要，只有各透鏡的尺寸合理組合，系統(tǒng)的像差才會(huì)小，也才有可調(diào)的必要，由于光學(xué)系統(tǒng)大多是有多個(gè)透鏡構(gòu)成的，這時(shí)追跡光線(xiàn)可以求得光學(xué)系統(tǒng)各種類(lèi)型的像差，但是這是由于透鏡數(shù)目很多，計(jì)算量大，容易出錯(cuò)。為了降低錯(cuò)誤率，本次設(shè)計(jì)采用Matlab來(lái)計(jì)算光線(xiàn)追跡的過(guò)程，程序分別編寫(xiě)了近軸光線(xiàn)和軸外光線(xiàn)的追跡。并編寫(xiě)了像差校正的程序，在一定程度上有效的降低了色差、正弦差和球差。另外本次設(shè)計(jì)還學(xué)習(xí)了Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，在設(shè)計(jì)中我把Matlab計(jì)算得到的系統(tǒng)尺寸用Zemax來(lái)模擬了，不僅學(xué)習(xí)了Zemax也對(duì)Matlab進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡像差MatlabZemax光學(xué)設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)題目分析本次課程設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡有物鏡和目鏡組成，具有正的目鏡的望遠(yuǎn)鏡稱(chēng)為開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)間隔=0，因此平行光入射的光線(xiàn)經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后仍以平行光射出，這種望遠(yuǎn)鏡一般物鏡框就是孔徑光闌，也是入瞳，出射光瞳位于目鏡像方焦點(diǎn)之外很靠近焦點(diǎn)的地方，使用時(shí)，眼睛與出瞳重合。二、課程設(shè)計(jì)要求做一個(gè)簡(jiǎn)單開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸設(shè)計(jì)，并單獨(dú)對(duì)其物鏡進(jìn)行初始結(jié)構(gòu)選型及像差校正設(shè)計(jì)，具體要求如下：1、視放大率：2、分辨率：3、視場(chǎng)角：2=4、筒長(zhǎng)：L=130mm三、使用Matlab對(duì)系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算和像差分析3-1、根據(jù)要求計(jì)算物鏡和目鏡的焦距（單位：mm）根據(jù)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的組成原理可得出以下方程：所以：物鏡的焦距為，目鏡的焦距為3-2、計(jì)算物鏡的通光孔徑，并根據(jù)表3加以確定501001501:42001:53001:65001:810001:10焦距（mm）1:31:3.5相對(duì)孔徑參考表物鏡框即為孔徑光闌和入射光瞳，其大小與系統(tǒng)的分辨率本領(lǐng)有關(guān)，人眼的極限分辨角是，為了使望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所能分辨的細(xì)節(jié)也能被人眼分開(kāi)，及達(dá)到用望遠(yuǎn)鏡觀察望遠(yuǎn)系統(tǒng)的目的，那么，望遠(yuǎn)鏡的市場(chǎng)角放大率與它的分辨角之間滿(mǎn)足：（1）其中=，式中D為為望遠(yuǎn)鏡的入瞳（單位：mm）（2）于是可得：稱(chēng)為望遠(yuǎn)鏡的正常放大率，望遠(yuǎn)鏡的不應(yīng)低于此時(shí)所決定的值，考慮到眼睛的分辨率，望遠(yuǎn)鏡的放大率與物鏡通光口徑之間可以取以下關(guān)系：=12~24，綜上所述，故可取D=18。3-3、計(jì)算出瞳直徑（單位：mm）由于（3）可得：。所以出瞳直徑=1.50mm。由公式可知，當(dāng)D一定時(shí)，越大，越小。因此增大時(shí)，望遠(yuǎn)鏡像面的照度就要降低，若要求保持具有一定大小，當(dāng)增大時(shí)就一定要增大物鏡的口徑。3-4、計(jì)算目鏡視場(chǎng)角由公式可知：可解得：，于是。3-5、計(jì)算出瞳距由圖1幾何關(guān)系（孔瀾與出瞳的共軛關(guān)系）可知：（4）則：=-130×10/(-130+10)=10.8mm3-6、計(jì)算目鏡的通光孔徑由圖1的幾何關(guān)系可得：mm3-7、計(jì)算目鏡的視度調(diào)節(jié)距離一般望遠(yuǎn)鏡要求視度調(diào)節(jié)量為5折光度，由牛頓公式可以求出目鏡相對(duì)于分劃板的移動(dòng)量為：mm3-8、確定玻璃對(duì)選擇整體結(jié)構(gòu)我們選用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，然后由上面的計(jì)算可以求出物鏡的相對(duì)孔徑為，=120，故物鏡選擇雙膠合物鏡；目鏡根據(jù)視場(chǎng)角和相對(duì)出瞳距，可選用凱涅爾目鏡。望遠(yuǎn)鏡易取冕牌玻璃透鏡在前，火石玻璃在后的形式。這次設(shè)計(jì)我們選用K9+ZF2玻璃對(duì)。3-9、計(jì)算物鏡的光焦度分配設(shè)計(jì)選用K9+ZF2玻璃對(duì)。光焦度的計(jì)算公式為：根據(jù)公式：（5）用matlab程序計(jì)算如下：需要給matlab輸入數(shù)據(jù)：K9的阿貝常數(shù)V1=64；ZF2的阿貝常數(shù)V2=32.2；物鏡的焦距(符號(hào)為正)f=120程序?yàn)椋簑1=V1/(fw*(V1-V2));w2=-V2/(fw*(V1-V2));輸出為：w1=0.0168；w2=-0.0084則物鏡的光焦度分配為：=0.0168；=-0.00843-10、計(jì)算物鏡的三個(gè)面的曲率及相應(yīng)的曲率半徑雙膠合薄透鏡的球差與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為：（6）其中為：式中是第一透鏡像距的倒數(shù)，是第二透鏡的物距的倒數(shù)，這二者相等，有=+，若雙膠合鏡作為望遠(yuǎn)物鏡，曲率半徑為：=0，則有，==，此