應用光學課程設計-15倍雙目望遠鏡

應用光學課程設計報告———15倍雙目望遠鏡姓名：班級學號：指導教師：光電工程學院2016年01月04日TOC\o"1-2"\h\u22705一、望遠鏡系統(tǒng)的原理 33505二、課程設計的內容及要求 3567三、光學元件尺寸計算及數(shù)據(jù)處理總結 417924（一）、目鏡的計算 417076（二）、物鏡的結構形式及外形尺寸計算 712237（三）、計算分劃板 819642（四）、計算棱鏡 824632（五）、像差計算 1025118（六）、建立數(shù)據(jù)文件 19一、望遠鏡系統(tǒng)的原理亥普勒望遠鏡的原理示意如下圖1所示：圖1圖中可見亥普勒望遠鏡是由正光焦度的物鏡與正光焦度的目鏡構成，與顯微鏡不同的是望遠鏡的光學間隔為0，平行光入射平行光射出。其系統(tǒng)的視覺放大倍率為：式中，為物鏡的焦距；為目鏡的焦距；D為入瞳直徑；為出瞳直徑。在此成像過程中，有一個實像面位于分劃面上，可以實現(xiàn)相應的瞄準或測量。 由于亥普勒望遠鏡成倒像不利于觀察，故而需在系統(tǒng)中加入一個由透鏡或棱鏡構成的轉像系統(tǒng)。軍用望遠鏡的轉像系統(tǒng)多是用兩個互相垂直放置的棱鏡（即保羅棱鏡）組成。 伽利略望遠鏡是由正光焦度的物鏡和負光焦度的目鏡組成，其視覺放大率大于1，形成的是正立的像，無需加轉像系統(tǒng)，也無法安裝分劃板，應用較少。二、課程設計的內容及要求1、根據(jù)已知的一些技術要求，進行外型尺寸計算；目鏡的選取及計算；物鏡的結構型式及外型尺寸計算；分劃板的外型尺寸計算；棱鏡的類型選取及外型尺寸計算；2、像差計算求取棱鏡的初級像差；求取物鏡的初級像差；根據(jù)物鏡的像差求出雙膠合物鏡的結構參數(shù)。3、計算象差容限；4、根據(jù)物鏡的結構參數(shù)及棱鏡的結構參數(shù)進行部分光線追跡，初步求出像點的位置及象差的大??；5、利用前幾步計算出的初始結構參數(shù)制作數(shù)據(jù)文件；6、利用數(shù)據(jù)文件上機操作、計算。并用像差容限加以評價系統(tǒng)的可實用性，如果結果不滿足像差容限的要求，則需修改初始結構參數(shù)，再進行上機操作，如此反復，直至滿足要求為止。三、光學元件尺寸計算及數(shù)據(jù)處理總結課程設計題目要求：10倍雙目望遠鏡視放大率Γ=15物鏡視場角:2ω=5°出瞳直徑：D'=4mm出瞳距：p>9mmQUOTE分辨率:α=6’’QUOTE漸暈系數(shù)：k=1棱鏡后表面到分劃板的距離：a=11mm棱鏡:屋脊棱鏡DⅢJ—45°材料：BaK7目鏡:2-19、目鏡的計算目鏡是顯微系統(tǒng)和望遠系統(tǒng)非常重要的一個組成部分，但目鏡本身一般并不需要設計，當系統(tǒng)需要使用目鏡時，只要根據(jù)技術要求進行相應類型的選取即可。首先根據(jù)已知的視覺放大倍率及視場，求出，即：由于2ω=5°，Γ=15求得2ω′=66.44°因為目鏡有負畸變（），所以實際應?。汗蕦嶋H值應為2ω′=69.76° 3、根據(jù)實際所需的數(shù)值、出瞳直徑值及出瞳距值等，來選擇合適的目鏡類型。本課程設計選用目鏡2－35相關的結構數(shù)據(jù)參數(shù)表及主要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)如下表1：rd108.65-33.31108.6521.81-41.7224.91-24.9133.3160.22.51.51631.61991.51631.51631.619964.136.364.161.436.327.428.329.429.730.229.326.723.3表1其中，f’=25.002ω=50°sf’=7.298d=6.0該目鏡的出瞳位于整個系統(tǒng)的左側，而在目鏡的實際運用中，出瞳應位于系統(tǒng)的右側。此種情況相當于將目鏡倒置，故而它所給出的我們不能直接加以運用，這里的是指與目鏡最后一面之間的距離。 4、將手冊中所給的目鏡倒置： 由于將目鏡倒置，則目鏡的數(shù)據(jù)將發(fā)生一定的變化，不但折射面的次序發(fā)生變化，其半徑的符號也將發(fā)生相應的改變。倒置后的新的數(shù)據(jù)如下表2所示：rd-33.3124.91-24.9141.72-21.81-108.6533.31-108.652.520.261.61991.51631.51631.61991.516336.364.1表25、進行手動追跡光線，求出倒置后的如下表3。 注意：計算過程中至少保留六位有效數(shù)字。光線追跡表見附表-1采用與上相同的方法就可得到目鏡倒置后的值（指焦點F與目鏡最后一面的距離，也即指當平行光入射目鏡系統(tǒng)時追跡光路中的最后一個面的像距值）?？梢缘玫?23.40266、計算出瞳距： 望遠系統(tǒng)的簡單結構圖如下圖2所示：圖2 由于一般情況下望遠系統(tǒng)的孔徑光闌是物鏡的邊框，則根據(jù)出瞳的定義：孔徑光闌經后面的光學系統(tǒng)在像空間所成的像是出瞳，如上圖所示。則有：公式中的分別是指計算出瞳位置時的物距和像距。則根據(jù)牛頓公式有：得出=25.9026根據(jù)所求得的出瞳距，與題目要求的出瞳距值進行比較,滿足題目所給條件，認為所選擇的目鏡基本滿足要求，從而最后確定了目鏡的結構類型。（二）、物鏡的結構形式及外形尺寸計算根據(jù)目鏡焦距求取物鏡的焦距：求得=421.14求物鏡的視場從題意中得=5°求物鏡的通光口徑：公式中的（是題中所給出的出瞳直徑值）求得=15*4mm=60mm求取物鏡的相對孔徑：=60/421.14=0.142470根據(jù)題目所給出的視場大小及相對孔徑的大小選擇物鏡所需的結構形式。在本次系統(tǒng)設計中由于所設計的系統(tǒng)的視場不大，相對孔徑也不大，故可選用雙膠合物鏡。雙膠合物鏡的結構形式如下圖3所示：圖3、計算分劃板1、計算分劃板直徑：=36.7747mm查表求取分劃板厚度及其公差值。3、求鑒別率：=140〞/60=2.3〞由于3.5〞小于系統(tǒng)要求分辨率5〞，即滿足設計要求、計算棱鏡由于亥普勒望遠系統(tǒng)成倒像，故尚需在整個系統(tǒng)中加入一轉像系統(tǒng)，在本次設計中我們加入的是棱鏡轉像系統(tǒng)。棱鏡轉像系統(tǒng)應置于物鏡的像平面附近，為了不使棱鏡上的疵病反映到目鏡中，還要使棱鏡離開象平面一定距離，即題中所給出的值。如果無特殊要求棱鏡的位置應位于橫向尺寸最小的地方。棱鏡的選型：本課程設計中棱鏡的類型及所用光材已作為已知條件給出。選用阿貝屋脊棱鏡FAJ-0°，其參數(shù)查表P91頁。2、求取棱鏡的展開長度L 從P91頁的圖表中可查得每種類型棱鏡的結構參數(shù)K，則有：K=3.040式中，為選用棱鏡的通光口徑，其大小與漸暈系數(shù)及值有關。3、值可采用如下的近似公式進行求?。菏街校瑸槔忡R所用光材對D光的折射率；為棱鏡的等效空氣層厚度；是一過渡參量。通過上式可求出棱鏡的通光口徑，但是由于棱鏡本身也存在一個安裝固定的問題，故而所取的值應適當加大以滿足設計要求，可取增量值為2mm。算得=81.1185mm=41.8614mm所以L=127.259mm4、計算值：=329.0215mm通過以上分析，初步確定系統(tǒng)結構形式如下圖4所示：圖4值得注意的是，此時的計算結果皆是在薄透鏡的狀態(tài)下計算得出的，在以后的計算過程中如需用到值，最好通過加厚后的透鏡的光線追跡結果來進行計算（）為好，否則結果不夠準確。追跡結果、像差計算由于望遠系統(tǒng)屬于小象差系統(tǒng)，故在系統(tǒng)設計過程中只需考慮：球差、正弦差及位置色差。在下面的公式中所涉及到的折射率為棱鏡光材的D光折射率的大小。求棱鏡初級像差：圖5求（見圖5）：=0.12352=4.074292）求（見圖6）：=--2.5圖63）棱鏡球差的計算：=-0.1221904）棱鏡正弦差的計算：=-式中，是分劃板半高度。 5）棱鏡的位置色差計算：=0.5248346）拉赫不變量J的計算：=1.30655式中，是空氣折射率。2、物鏡的初級像差的計算：物鏡球差的計算：=-0.122190物鏡正弦差的計算：=物鏡的位置色差計算：=-0.5248343、求雙膠合物鏡的結構參數(shù)：求像差系數(shù)：球差系數(shù)：=1.29166*正弦差系數(shù)：=位置色差系數(shù)：=0.00268388上式中的是空氣折射率。規(guī)化的=公式中的為入瞳半高度；為物鏡的光焦度。 對于望遠系統(tǒng)而言，有，則可求出值，在此式中我們是假設雙膠合物鏡的冕牌玻璃在先，火石玻璃在后進行計算的。若取火石玻璃在先，冕牌玻璃在后，則式中的應變?yōu)椤?通過上式計算就可能求出值及的大小，根據(jù)此二個數(shù)值就可以選取相應的玻璃組合。選取玻璃對組合：在《光學儀器設計手冊》上冊中提供了許多不同的玻璃對組合，我們下面所要做的就是從中選擇一對與值及值相近的一對玻璃，來作為構成雙膠合物鏡的光學材料。但是值得注意的是玻璃對的選取并非是任意的，它需要采用內插法來加以計算，算得選取的玻璃對、組合，火石玻璃在先。4）玻璃對確定之后，記錄下該組合所對應的各參數(shù)量值：A=2.421644B=-25.146147C=65.416370K=1.710822這些量值也全部是通過內插法進行計算的，將內插后的結果作為該組合的最終結果。5）求形狀系數(shù)Q：式中，為選定玻璃對后所內插出的值，也為內插后的值。通過上式計算后可得到二個Q1值，將此二個Q1值分別與下式的結果進行比較，選取與下式結果更為接近的值。得到=5.255644則=5.237915為獲得良好的像質，再將選取的Q1值與上式的計算結果求平均值，此均值則為最后所求的形狀系數(shù)，即有：算得=5.24678 6）求雙膠合各個折射面的曲率式中，是雙膠合第一塊透鏡的D光折射率；是雙膠合第二塊透鏡的D光折射率，是內插后的值。 7）半徑縮放： 8）根據(jù)現(xiàn)已求出的雙膠合的初始數(shù)據(jù)追跡光線（假設是薄透鏡，即：，是第一塊透鏡的中心厚度，是第二塊透鏡的中心厚度），所運用的初始參數(shù)如下：，追跡光線的方法如表2－4所示。從追跡光線的過程中可以獲得一些中間數(shù)據(jù)，如：，分別是光線經第一個折射面及第二個折射面的像方孔徑角的大小，此二個數(shù)值在以后的運算過程中將有應用。物鏡光線追跡表見附表-2追跡結果=0.0601927=0.0438176Lf=421.1408mm 9）透鏡外徑的計算： 透鏡的通光口徑與外徑是兩個不同的概念，由于透鏡本身也存在安裝及固定的問題，所以加工時的實際口徑要比計算得出的通光口徑要大一些，而增量的多少則跟通光口徑的大小及固定的方法有關，物鏡的通光口徑：，查《光學儀器設計手冊》上冊表9－18，若采用滾邊固定，則增量值為；若采用壓圈固定，則增量值為。現(xiàn)取壓圈固定則透鏡的外徑尺寸為： 10）求兩個透鏡的中心厚度： ①求各個折射面的矢高：當算得②凹透鏡的邊緣最小厚度的計算：當取中等精度時，=6.95458mm③凸透鏡的邊緣最小厚度的計算：同理，當取中等精度時，=2.0452mm④求第一塊透鏡的中心厚度：=4.60598mm⑤求第二塊透鏡的中心厚度：=7.0708mm由于凹透鏡本身的特點是中心薄邊緣厚，故應令其中心厚度適當加厚（如取增量值為）。加1.5后為6.10598mm 11）修改半徑： 在第七步中計算的各個半徑值是在薄透鏡的前提下計算得來的，現(xiàn)透鏡已由薄變厚，故其各個折射面的半徑值也應發(fā)生適當?shù)淖兓?。所采用的公式如下：（代表三個折射面）式中，為修改后的各個折射面的半徑；為各個折射面原來的半徑值；為光線在各個折射面上的投射高度；為光在第一個折射面上的投射高度。的計算公式如下所示：算得 至此，我們已通過PW法計算出了望遠系統(tǒng)的所有基本初始結構參數(shù)。 12）利用相應的初始結構參數(shù)追跡光線，所需追跡的光線如下：5個折射面近軸光的光路追跡（加厚的）近軸光光線追跡表見附表-35個折射面邊緣光線的光路追跡（加厚的）。見附表-4其中，主光線的，式中可從邊緣光的追跡光線表中找到。也可取一種近似的求法：，是入瞳中心與第一個折射面間的距離。 4、計算像差容限的大?。?1）球差：式中，波長可取。正弦差：位置色差：0.108943（六）、建立數(shù)據(jù)文件00111,3,5,0,0.,-2.5,30.,190.614,2.662,1.,1.,1.,102.461,6.10598,1.62420,1.619252,1.636632,-3483.75,7.0708,1.51630,1.513895,1.521955,0.,318.233,1.,1.,1.,0.,127.259,1.56880,1.565821,1.575971,0.,0.,1.,1.,1.,4444.,數(shù)據(jù)校準00111,3,5,0,0.,-2.5,30.,190.995,2.662,1.,1.,1.,102.666,6.10598,1.62420,1.619252,1.636632,-3484.748,7.0708,1.51630,1.513895,1.521955,0.,319.309,1.,1.,1.,0.,127.259,1.56880,1.565821,1.575971,0.,0.,1.,1.,1.,4444.,實驗心得在這耗時數(shù)周的光學設計中，終于完成了，我只感覺在這數(shù)周時間里很累，每天都花很多時間來計算參數(shù)，優(yōu)化，很多東西都不懂都只能從頭來，一點一點摸索，直到完全弄清楚是怎么回事，在這兩三周時間里，一直都有深深的挫敗感，從開始選題的迷茫到參數(shù)計算的苦惱，再到優(yōu)化時zemax軟件沒有理想結果，每一步都很艱難，特別是在最后一周，一邊面臨別的科目考試，時間有限，而這里卻一直沒有結果，光學設計經常一做一晚上，可是還經常沒什么進展。碰到了很多困難，但也有很多新的認識和收獲。碰到的主要困難有以下幾點：1.首先是自己知識能力很有限，找了很多題目，一開始想做能夠變焦的瞄準鏡但是都無從下手，最后只得放棄做了一段時間發(fā)現(xiàn)很多東西無從下手，文獻也查閱不到很詳盡的資料，只好退而求其次，換簡單一點的題目再去做，原理不懂，而應用光學很多知識也印象模糊了，只得一點點去消化，思考方案，查閱文獻。附表附表-112345678附表-2：物鏡追跡表123附表-2附表-3：近軸光線追跡表12345附表-3附表-4：邊緣光追跡表12345基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數(shù)字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統(tǒng)的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)基于單片機的倒立擺控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)單片機嵌入式以太網防盜報警系統(tǒng)基于51單片機的嵌入式Internet系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)單片機監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統(tǒng)上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與應用單片機在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機的遠程抄表系統(tǒng)及智能網絡水表的設計基于MSP430單片機具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設計基于單片機的氨分解率檢