設(shè)計(jì)一個(gè)8倍的雙目望遠(yuǎn)鏡,光學(xué)設(shè)計(jì)

齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專(zhuān)用紙成績(jī)課程名稱(chēng)應(yīng)用光學(xué) 指導(dǎo)教師 院(系) 理學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 光信12-1學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 設(shè)計(jì)日期豆0 課程設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)一個(gè)8倍的雙目望遠(yuǎn)鏡 設(shè)計(jì)題目要求：設(shè)計(jì)一個(gè)8倍的雙目望遠(yuǎn)鏡，其設(shè)計(jì)要求如下：全視場(chǎng)：2少=6.5°；出瞳直徑：D'=5mm；出瞳距離：I；=20mm；分辨率：a=6"；漸暈系數(shù)：K=0.55；棱鏡的出射面與分劃板之間的距離：a=26.3；棱鏡：普羅I型棱鏡；材料：K10；目鏡：2-28一、目鏡的計(jì)算目鏡是顯微系統(tǒng)和望遠(yuǎn)系統(tǒng)非常重要的一個(gè)組成部分，但目鏡本身一般并不需要設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)需要使用目鏡時(shí)，只要根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行相應(yīng)類(lèi)型的選取即可。1、 首先根據(jù)已知的視覺(jué)放大倍數(shù)r及視場(chǎng)2?，求出2?'r=堆①nn2?'=2arctg(Txtgw)=48°86'tge2、 因?yàn)槟跨R有負(fù)畸變(3%~5%)，所以實(shí)際應(yīng)?。??'=2arctg(Txtg?)+2arctg(Txtg?)x5%=51°30'3、 根據(jù)實(shí)際所需要的2?'數(shù)值。出瞳直徑值及出瞳距值等，來(lái)選擇合適的目鏡類(lèi)型。在本次設(shè)計(jì)中所需的目鏡的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該作為已知條件給出，如：目鏡2-28。齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專(zhuān)用紙（附頁(yè)）目鏡2-28（結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)2-2）此外設(shè)計(jì)手冊(cè)中還提供有相關(guān)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)表2-1及主要的系統(tǒng)數(shù)據(jù);表2-1表2-1rdnDv①效oo5.31.552463.324.1-25.240.225.450.935.51.552463.327.5-50.930.227.525.5310.01.487470.026.1-25.531.81.728028.324.217.9896.01.487470.021.8-157.0421.6廣二20.216,2?二57。,s二4.49,d二5.0等。從圖2-2中我們不難發(fā)現(xiàn)該目鏡的出瞳位于整個(gè)系統(tǒng)的左側(cè)，而在目鏡的實(shí)際運(yùn)用中，出瞳應(yīng)位于系統(tǒng)右側(cè)。此種情況相當(dāng)于將目鏡倒置，故而它所給出的s二4.49我們不能直接f'加以運(yùn)用，這里s是指F'與目鏡最后一面之間的距離。f4、將手冊(cè)中給的目鏡倒置：由于將目鏡倒置，則目鏡的數(shù)據(jù)將發(fā)生一定的變化，以目鏡2-28為例，原來(lái)的第一個(gè)折射面（r）變?yōu)榈诎藗€(gè)面（r），原來(lái)的第二個(gè)折射面（r=-25.24）變?yōu)?82第七個(gè)折射面（r=25.24）……，以此類(lèi)推。值得注意的是：不但折射面的次序發(fā)生7變化，與此同時(shí)其半徑的符號(hào)也將發(fā)生相應(yīng)的改變，原來(lái)為正，則現(xiàn)在為負(fù)。倒置后的新的數(shù)據(jù)如下表2-2所示：5、進(jìn)行手動(dòng)追跡光線，求出倒置后的s:f

如何進(jìn)行光線追跡？我們以一個(gè)具體的雙膠合物鏡為例進(jìn)行一下說(shuō)明（見(jiàn)表2-4）例如一雙膠合物鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下所示（見(jiàn)表2-3）：表2-2rdnDv①效157.046.01.487470.0-17.9891.81.728028.325.5310.01.487470.0-25.530.2150.935.51.552463.3-50.930.2125.245.31.552463.3oo表2-3rdn62.54.01.51633-43.652.51.67270-124.35表2-4123lg179.547341.467-r62.5—43.65-124.35l-r*u+rh=101223.197465.817i0.160000-0.278585-0.106533*n/n'1/1.516331.51633/1.672701.67270i'*"0.105518-0.252542—0.178198*r+U'=(U+i—i')0.0544820.0284390.100104l-r121.047387.617221.359+r62.5-43.65-124.351'183.547343.96797.009lu+u'1009.782079.710971'183.547343.96797.009-d4.02.5注意：計(jì)算過(guò)程中至少保留六位有效數(shù)字。采用與以上相同的方法就可得到目鏡倒置后的s/直（指焦點(diǎn)F與目鏡最后一面的距離,也即指當(dāng)平行光入射目鏡系統(tǒng)是追跡光路中的最后一個(gè)面的像距1'值）。6、計(jì)算出瞳距p':望遠(yuǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖如下所示：物橈 分劃板目鏡出瞠|n巧丄1一 戸 /—L**■■圖2-3由于一般情況下望遠(yuǎn)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(jīng)后面的光學(xué)系統(tǒng)在像空間所成的像是出瞳，如上圖所示。則有：則根據(jù)牛頓公式xx'=ff'公式中的x則根據(jù)牛頓公式xx'=ff'有:-f(p'-sf)—廠K(p'-sf)卡Kp'=s根據(jù)所求得的出瞳距p'，與題目要求的出瞳距值進(jìn)行比較。若二者比較接近，則認(rèn)為所選擇的目鏡基本滿(mǎn)足要求，從而最后確定了目鏡的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。二、選擇物鏡的結(jié)構(gòu)形式以及一些主要數(shù)據(jù)1、根據(jù)目鏡焦距廣求取物鏡焦距f:21f'=f'xT=20.216x8=161.728122、 求物鏡的視場(chǎng)2o:從題意中得出。2婦6.5°3、 求物鏡的通光孔徑：T=DD'nnD=DxT求的D=40mm公式中的D丄d（是題中所給出的出瞳直徑值）4、 求取物鏡的相對(duì)孔徑Df:D/廣=40/161.728=0.247mm根據(jù)題目所給出的視場(chǎng)大小及相對(duì)孔徑的大小選擇物鏡所需的結(jié)構(gòu)形式。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的視場(chǎng)不大，相對(duì)孔徑也不大，故可選用雙膠合物鏡。雙膠合物鏡的結(jié)構(gòu)形式如下圖2-4所示：JJ三、計(jì)算分劃板1、 計(jì)算分劃板直徑：D=2tgoxf=18.37mm分 i2、 查表求取分劃板厚度d及其公差值。分所求的厚度及公差值為2土0.33、 求鑒別率a:a=140"；D求的a=3.5"四、計(jì)算棱鏡由于亥普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)成倒像，故尚需在整個(gè)系統(tǒng)中加入一轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，在本次設(shè)計(jì)中，我們加入的是棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)應(yīng)置于物鏡的像平面附近，為了不使棱鏡上的疵病反映到物鏡中，還要使棱鏡離開(kāi)像平面一定距離，即題中所給出的a值。如果無(wú)特殊要求，棱鏡的位置應(yīng)位于橫向尺寸最小的地方。1、棱鏡的選擇：本課程設(shè)計(jì)中棱鏡的類(lèi)型及所用光材已作為已知條件給出。而各種常見(jiàn)的棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖位于《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)P91頁(yè)的圖表中，此外在圖標(biāo)中還

標(biāo)明了棱鏡各參數(shù)的數(shù)值大小。2、棱鏡的選型：本設(shè)計(jì)中棱鏡的類(lèi)型采用的是普羅棱鏡(k=4),普羅I型棱鏡按如下放置:Object Porroorientation prismsObject Porroorientation prisms計(jì)算時(shí)將棱鏡展開(kāi)，結(jié)果如下:Objective卜一2眉—AObjective卜一2眉—AAerial.image圖5普羅I型棱鏡展開(kāi)圖其中A為棱鏡正方形端面的寬度，展開(kāi)之后，每個(gè)棱鏡的軸向?qū)挾葹?A。將棱鏡轉(zhuǎn)化為等效空氣層，如下圖所示：圖6圖6普羅I型棱鏡展開(kāi)相當(dāng)空氣層圖kD一DtanU' = =0.0112URR 2f'

DttanU' +分5URR24DttanU' +分5URR24n/4-tanU'URRA=nt/224D(t+1+1)tanU' +分3 4 5 URR2n/4-tanU'URRA=nt/212式中URR指上邊緣光線。棱鏡距離像面越近，則棱鏡的口徑越小，棱鏡最后一面到像面距離為26.3mm，即是t=26.3mm，第一塊棱鏡和第二塊棱鏡間隔為5mm，即是t二10mm，53棱鏡材料選擇K10(n=1.688)。根據(jù)如上一些條件可以算出:t=23.08mmA=19.48mmt二23.98mmA=20.24mm4221五、8倍雙目望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過(guò)以上分析，初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如下圖所示：圖7 8倍雙目望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖六、設(shè)計(jì)總結(jié)此次光學(xué)設(shè)計(jì)我感受頗多，真正感受到自己知識(shí)的不足，以前聽(tīng)課時(shí)記得很熟的東西，已經(jīng)記不起多少了，基本的問(wèn)題還好解決