内调焦准距式望远系统光学设计Word文件下载.docx
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2.72
0.75
200.00
132.87
98.97
-101.00
8.33
51.03
33.09
2.25
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7.81
50.83
36.88
1.90
L=160
2
心
cti
290.91
129.28
104.71
-44.22
12.12
55.29
24.57
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・54.17
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-143.37
54.22
39.34
L=170
门2
作(“2)
309.09
137.36
111.25
・46.99
12.88
5&
75
26.11
283.33
140.50
111.48
-57.57
11.80
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06
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-114.47
9.44
57.83
3&
42
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154.20
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-152.36
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57.60
41.80
L=180
(2
327.27
145.44
117.80
-49.75
13.64
62.20
27.64
300.00
148.76
11&
04
-60.94
12.50
61.95
30.72
276.92
152.20
26
-75.31
11.54
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257.14
155.76
118.52
-94.46
10.71
61.48
27.24
240.00
159.45
76
-121.24
10.00
61.24
40.69
225.00
163.26
119.01
-161.26
9.375
60.98
44.25
表2-1
上述计算表明:
仁为了使仪器结构紧凑,必须缩短仪器筒长。
缩短筒长L,几、尸2、f3减小,导致各透镜组的相对孔径D/f将增大。
透镜组相对孔径的增大,将使像差校正困难,或使结构复杂,成本增加。
因此,仪器筒长L不宜术小。
2、当简长L一立时,希望一左简长所能获得的组合焦距戸2越大越好,即缩短系数Q越小越好。
Q越小,几、f2就越小,从而D/fi和Dz/f2增大,且的增大,主物镜的剩余像差经调焦镜后将被放大血倍,于像差校正是不利的。
另一方而,Q越大,门2和尸3就越小,但目镜的焦距不能太小,否则,目镜的镜目距小,影响观察。
综上所述,应该取适当的L和Q.作为例子,我们取:
r=-24xf
L=170.Q=0.65
f12=261.54,
do二111.71
fi=143.74,
fi=-71.11,f3=10.90
由于汁算误差和取舍误差,亦或计算错误,使得加常数因此,必须检验加常数是否为0。
检验公式为:
(2-4)
c=//+6-‘宀=
・&
L升2人丫・4拧
将所确左的参数代入,得:
c=0.00254
由此可见,系统满足准距条件,其所引起的测量误差可以忽略不计。
为了满足分辨率的要求,即(P<
由
140”
(p=
D
W:
Plcu畑伟倖iViK业N心
另一方而,由厂=「可知,「一泄时,出瞳。
随D的增大而增大。
D的增大,即物镜通光D
孔径增大,使仪器外形增大。
当门一泄时,物镜的相对孔径Di/fi也随之增大,物镜的髙级像差增大,像差校正困难。
通常,用于大地测量仪器的望远镜系统,为了提高测星精度,出瞳直径//=1.3-1.5mmt一般取D'
=1.5mm,则:
D=-rDr>
24x1.5=36mm
因此,取入瞳直径,即物镜的通光孔径Di=36mm.对应的出瞳直径D=・5rwm
二、调焦镜的通光孔径
如图2-5所示,调焦镜的通光孔径Dz由轴外物点的上光线的入射高度确左。
由图中三角关系,有:
D/2-y;
_D{/2-D2/2
f;
忑-
而:
=fitgw
则得调焦镜的通光孔径:
02=Drdo(DJft2tgw)
=36-111.71x(36/143.74-2xtg0.8°
)=11.14mm
三、分划板直径及视距丝间隔
由于场阑与分划板重合,所以分划板的通光孔径即为场阑直径,即:
DP=D场=2fi2tgw
=2x261.54xtg0.8°
=7.30mm
根据乘常数的立义:
得视距丝间隔
H=亠
一一2.615〃"
k
100
四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径
K像方视场角
R51OA冃45曲比滞土
由厂=—,得:
tgwr=-rtgw=24xtg0.8°
=0.33512499
所以像方视场角2"
=37.05。
°
2、出瞳距
岀瞳距的确左可由入睡逐而用成像公式计算而得:
因/21=0,所以1復1=0,
lZ2=I'
zs-do=-111.71
I=Q・人=-43.45
2匚+广
匚=/;
2,2=/;
2-(3。
+冗)=-1123
于是得出睡距为:
3、目镜的通光孔径
由图2・6可得,目镜的通光孔径为:
£
>
3=”+2/:
•tgw
=1.5+2xl2.07x24xfgO・8°
=9.59
4、目镜的视度调节
为了适应不同视力的人眼观察的需要,目镜应具备视度调节功能。
目镜的视度调右范用一般取±
5个折光度,它是通过目镜相对于分划板前后移动一左和距离来实现的。
因此,视度调节时,目镜的最大移动范围为:
“±
5匚5型"
0.6
10001000
五、调焦镜的调焦移动量
在调焦过程中,调焦镜沿光轴前后移动,苴移动量必须保证对无穷远至有限远最短视距范囤内的物体能调焦淸晰。
一般情况下,调焦镜的初始位苣对应无穷远物体,因此,只须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置,就可以确左出调焦镜的移动量。
MX/i=-2000mm,由物像关系的高斯公式,计算得作=154.87。
由公式(1-6)计算得:
1
d=-I;
+X/卜厶+4/彳)=12&
77mm
于是得调焦镜的调焦量:
△d=d・do二12&
77-111.71=17.06mm
3、结构选型;
在本设讣中,主物镜的相对孔径约1:
4,调焦镜的相对孔径1:
5.6,因此,主物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜匚
4、初始结构参数求解;
1、确定物镜焦距和工作距离
先假设物镜为薄透镜,由几何光学共辄成像理论,有:
〕一/=厶=195
11_1[lfI广
解得:
I=・4&
75mm,f=36.5625mm,lr=
146.25mmo
2、求解初始结构参数
2.1确定基本像差参量
根据像差校正的要求,令皿=0、SC=0及AL10,即SS|=SS||=SC|=0o即:
SS,=/?
4O5P=0Y.Sn=h3h^P+Jh2^2W=O
SC,=lr^>
Cl=0
得:
P=W=C1=0
这只是物体在有限远时的像差参量,还必须将其规化到无穷远。
已知:
N4=msinS=0.1,因r)i=1,所以,取Ui=sint/i=-0.1o又:
h=/jUi=-48.75x(01)=4.875mm,规化孔径角:
--01=-0.75
h①4.875x1/36.5625
于是,由公式(3・18)可求得规化后的基本像差参量如下:
PX=戸+入(4©
+1)+席(5+2“)
=0-0.75(4x0+l)+(-0.75)2x(5+2x0.65)=2.79375
W=W+“1(2+“)
=0+(-0.75)x(2+0.65)=一1.9875
3、选择玻璃组合___
玻璃组合选择的依据是Po和同时,还必须注意:
当血50是较小的正值(o<
ivx<
i)
时,应尽可能取冕牌玻璃在前:
当歹51是较大的负数(.3.5<
VVX<
-2.5)时,则尽量取火右玻璃在前。
这样可使双胶合透镜胶合而曲率半径较大,减小髙级球差,有利于像差校正。
这里,我们取火石玻璃在前。
根拯公式(3-35)计算Po如下:
Po=2.79375-0.85x(-1.9875+0.1)2=0.078
根据Po和查“光学设计手册”中“双胶合物镜&
表”选取玻璃组合。
如果&
与表中所给数值不符,可用插值法求岀不同玻璃对的Po;
如果所选玻璃对的Po与要求的值(本设计实例为0.078)相差不大(如<
0.1),就能基本满足要求。
通常D/f越小,Po允许误差越大,它对P的影响越小。
这样可从表中查出若干对玻璃组合来,然后再从中挑选。
挑选时考虑的主要因素有:
1)玻璃的理化性能好:
2)球而半径尽可能大:
一般®
和Qo绝对值比较小的玻璃胶合而半径较大,这样,胶合而产生的髙级像差会较小,有利于后续的像差校正:
3)玻璃的成本、库存或供应情况:
一般尽可能选择常用光学玻璃。
具体到本例,我们至少可以挑选出如下四对玻璃组合:
円:
P(>
=0.026ZF1:
Po=0.062F3:
Po=O.O6F2:
P()=0.04QK3K9BaK3BaK3
本例选用ZFI(r)2=1.64750,n=33.9)和K9(m=1.51630,n=64.1)组合,再査“双胶合薄透镜组的参数表”,得:
Po=0.062170452»
Qo=5.04411136,Wo=
-0.23412318,
5=-1.12251656,4=2.436908946,K=1.718454473。
2・3求形状系数Q
形状系数由式(3-36)和(3-37)确定。
由(3-36)式一般可求出两个Q值,选取和(3-37)式计算结果相近的解,作为双胶合薄透镜组的形状系数,也可以取二者的平均值。
在本例中:
0C
P-P
=3.923191536,6.165031184
为兼顾球差和正弦差,取二个相近结果的平均值,作为形状系数,得:
Q二3.973490473
2.4求薄透镜组各球面的曲率半径
在规化条件下,f二仁由(3-26)式可以求得各面的规化曲率如下:
透镜直径D/mm
正透镜边缘垠小厚度//mm
负透镜中心最小厚度d/mm
3-6
0.4
6-10
0.8
10-18
0.8-1.2
1.0-1.5
18-30
1.2-1.8
1.5-2.2
30-50
1.8-2.4
2・2~3.5
50-80
2.4-3.0
3.5-5.O
80-120
3.0-4.0
5.0-8.0
120-150
4.0-6.0
8.0-12.0
表3・2透镜中心及边缘最小厚度
p\=1.117357614
Pz=2.850973917
=-1.26004013
则焦距f=36.5625mm时对应的曲率半径为
门=f/p}=32.722mm
厂2=f/pz=12.824mm
厂3-f/p3=-29.017mm
2.5薄透镜加厚
以上所求的是厚度为0的所谓薄透镜组,这种薄透镜对应理论分析与求解是有重要作用的,但无任何实际
应用意义,也就是说,任何实际透镜都有厚度。
因此,必须将上述薄透镜加厚。
透镜的厚度不仅与球而半径和透镜直径有关,还涉及透镜的装夹方式、质量要求和加工难易程度等因素。
透镜厚度的确定大致可分为如下三步:
2.5.1确定透镜的全直径0
透镜的全直径0与其通光孔径D的关系如下:
0二D+△
式中△是透镜安装时的装夹余量,视装夹方式而龙。
透镜的装夹方式有两种:
压圈法和滚边法,其装夹余量见表2-2(参见《光学设计手册》)所示。
本例中,因为D=2h=2x4.875=9.75mm,采用压圈法固定,查表得△二1.0mm,故该显微物镜的外径10.8mnK
2.5.2确定透镜的中心厚度
透镜中心厚度的确左除了与球而曲而半径和透镜外径有关外,还要考虑透镜焦距、精度及加工情况。
一般有两种方法确左:
作图法和讣算法。
作图法是根拯《光学设计手册》中有关光学零件中心和边缘厚度的规左(GB1205-75标准,见表3-2),按实际口径作图确立。
计算法主要考虑透镜在加工、装夹过程中不易变形,根据中心厚度D、边缘厚度t和外径D之间满足一宦经验公式来确左,这种经验公式参见《光学设计手册》。
由图10・3得,透镜中心厚度、边缘厚度与两球而矢高的关系为:
d=t-x2+Xi(3-47)
式中X1.X2为球而矢髙:
着=/;
・±
—(D/2)2j=1,2(3-48)
本例中•我们采用查表法确泄透镜厚度。
由表10-3,应有di>
1.0.t2>
0.8,计算得:
X!
=0.45,
X2=1.19,X3=-0.51o贝!
)ti>
1.74,di>
2.5a于是,我们取di=1.2mm,di=2.8mm0il•算出中心厚度和边缘厚度后,可按实际尺寸(或按比例)作图验证。
2.5.3确定厚透镜的曲率半径
由公式(3-3)可知,当每个球面的u和(/不变时,P、W保持不变,放大率0二门u/门“亦不变。
另一方而,当透镜由薄变厚时,第一近轴光线在主而上入射高度不变,则系统的光焦度也不变。
根据这两个原则,透镜由薄变厚时,一般需把由薄透镜确龙的曲率半径值,变换为相应的厚透镜的曲率半径值。
当相对孔径不大时,6厂和d都较大,可不作厚度变换。
这样引入的像差.放大率、
h/hm:
1.0
0.85
0.707
0.5
0.25
0.0
6U:
2.5107
1.2515
0.5892
0.1545
0.0259
0.0000
SC:
0.0015
0.0009
0.0005
0.0002
0.0001
ACfc:
1.2858
0.8052
0.4675
0.1270
-0.0734
-0.1810
图3・5给出了该初始结构参数对应的三色光的球差曲线。
显然,该结果还需要作进一步的像
差校正。
5、像差校正;
1•透镜结构参数,视场、孔径等光学特性参数:
LAfnijr
TOTALULEMQTH^O&
197.796591II1
OM从1・乙I'
lX
匚onFIGURATIONj.OF1
GENERALLENSDATA:
Surfaces
Stop
系统光圈:
GlassCatalogs
RayAiming
变迹:
有效的焦点长度:
8
1
入瞳直径=25
SCHOTT
Off
均衡,统一的,因子二O.OOOOOE+OOO
152.27(系统温度和压力在空气中)
152.27(在像空间)
BackFocalLength统计轨迹图像空间F/#离轴工作而F/#工作而F/#
ImageSpaceNA物空间NA
光阑半径离轴像高:
近轴放大率:
33.39723
197.7966
6.090801
6.066698
0.0818158
1.25e-009
12.5
16.00422
入瞳直径:
25
入瞳区域:
入瞳直径:
25.01441
入瞳直径区域:
-151.8234
最大视场:
6
主光波长:
0.5875618
镜头单位:
亳米
角度放大率:
0.999424
VignettingFactors
#
VDX
VDY
vex
VCY
VAN
1
0.000000
3
Wavelengths
Units:
祈
Value
Weight
0.486133
1.000000
0.587562
0.656273
SURFACEDATASUMMARY:
Surf
Type
Comment
Radius
Thickness
Glass
Diameter
Conic
OBJ
STANDARD
无限远
STO
85.67779
7
BAK1
25.19576
-68.97856
F2
25.31481
-1073.516
30.82544
25.45459
4
124.1083
BK7
26.70713
5
32.86283
30.02877
6STANDARD
31.993180
7STANDARD
IMASTANDARD
EDGETHICKNESSDATA:
SurfEdge
STO4.897511
24.095798
330.900893
4124.108313
532.862830
60.000000
70.000000
IMA0.000000
INDEXOFREFRACTIONDATA:
Temp
Pres
20.00
1.00
1.00000000
1.57943457
1.57250012
1.56948658
1.63208146
1.62004014
1.61503169
1.52237629
1.51680003
1.51432235
6
8
THERMALCOEFFICIENTOFEXPANSIONDATA:
TCEMOE-6
0.00000000
7.60000000
&
20000000
7.10000000
F/#DATA:
F/#calculationsconsidervignettingfactorsandignoresurfaceapertures.
CARDINALPOINTS:
Objectspacepositionsaremeasuredv/ithrespecttosurface1・
Imagespacepositionsaremeasuredv/ithrespectto
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