伽利略望远镜设计.docx

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伽利略望远镜设计

伽利略望远镜设计报告

1、总体设计要求及方法

课题要求设计一个伽利略望远系统，要求：

放大倍率为5X，筒长为250mm，物镜最大直径不大于25mm，接受器为人眼。

伽利略望远镜就是由正光焦度得物镜与负光焦度得目镜组成，其放大倍率大于1。

光路图如下：

图1伽利略望远镜光路图

为对光学系统进行迭代设计与优化，采用光学设计软件Zemax对望远镜得物镜、目镜分别进行建模与优化，以取代繁琐复杂得光路计算。

之后再将二者组合建模，并对最后得成像质量进行详细得评价。

2、光学系统设计

2、1初步参数设计

根据系统设计要求，镜筒长度250mm，而物镜到目镜得间距为：

视觉放大率要求为5x，故有：

l应当略小于筒长，因此将l设计为240mm，计算得出物镜焦距fo’为300mm，目镜焦距fe为60mm。

伽利略望远镜一般以人眼作为视场光阑，物镜框为视场光阑，同时为望远系统得入射窗。

由于视场光阑不与物面重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕现象。

出瞳应位于人眼观察处，为方便观察，设定出瞳距离目镜15mm处，物镜得直径为25mm，因此出瞳据物镜距离为：

当视场为50%渐晕时，望远镜得视场角为：

计算得出望远镜得视场角ω为2、8°，可见伽利略望远镜得视场非常小。

2、1物镜设计

2、1、1结构选择

一般有三种结构形式：

折射式、反射式与折返式。

而一般军用光学仪器与计量仪器中使用得望远镜物镜为折射式物镜。

单透镜得色差与球差都相当严重，现代望远镜一般都采用两块或多块透镜组成得镜组。

其中又可分为双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜、摄远物镜，如下图所示。

图2常见得物镜结构

双胶合物镜就是最简单与常用得望远物镜，由一个正透镜与一个负透镜胶合而成。

双胶合物镜得优点为结构简单，制造与装配方便。

通过选择材料以及弯曲镜面可以矫正透镜组得球差、彗差与轴向色差。

2、1、2优化设计

根据前面得计算，物镜焦距fo’设计为300mm，最大口径为25mm。

目视光学系统，波段选取为可见光波段0、4μm-0、75μm，并将人眼敏感得绿光0、55μm设为主要计算波段，如下图所示：

图3Zemax波段设置

在系统设置中设定入射光瞳（EntrancePupilDiameter）得大小设为25mm，视场角设为2、8°，如图所示：

图4视场角设置

选定一组合适得初始参数在Zemax进行建模与优化，凸透镜得材料选择BK7，凹透镜材料选择SF1。

初始参数如下表：

表1物镜初始参数表

选取三个折射面得半径与最后一个面得厚度作为优化变量，根据要求选取优化函数，其中应当在优化函数中选取有效焦距EFFL为优化变量，目标值选为240mm，即物镜焦距得设计值。

并在优化函数中赋予较高得权重，这样可以使得Zemax优化得出符合焦距要求得设计。

优化函数如下：

图5优化函数

然后使用Zemax进行优化，优化后得到得参数表如下：

表2优化后得参数表

得到得设计如下图所示：

图6物镜设计图

其视场内得像差如下：

图7光线像差

图8光瞳处像差

图9MTF曲线

2、2目镜设计

目镜得作用就是将物镜所成得像放大后将其成像在人眼得远点进行观察。

正常人得远点为无穷远，因此目镜得焦距为无穷远，目镜得物方焦平面与物镜得像方焦平面重合。

基于其使用目得与特性，具有以下特点：

1.焦距在15mm-30mm范围内，太近或太远都不方便人眼观察。

2.出瞳较小，一般在2mm-4mm左右，与人眼瞳孔大小相近；

3.视场角一般在40°左右。

设计上一般遵循反向设计得原则，这样物平面为无穷远得光束，在有限距离得像面上成像，并评价像质。

否则需要在无穷远平面上进行评价与优化，难度很大。

在望远镜与显微镜中，目前常用得目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、对称式目镜、无畸变目镜与广角目镜。

对称式目镜就是由两个结构对称得双透镜组成，对称结构使得加工较为方便。

并且其相对出瞳距较大，在军用观察与瞄准仪器中应用很广，故设计采用对称式目镜。

依据2、1节中得方法在Zemax中建立目镜得模型，并设置相关参数。

注意对称得镜面其参数要采用Pickup得方法设置为前面镜面参数得-1倍。

同样地优化参数中设定有效焦距为60mm，而且系统得出瞳距为15mm，由于反向设计因此设定第一个第一个光学面得厚度为15mm。

得到优化参数如表3所示。

表3优化后目镜参数表

图10目镜设计图

优化后得像差如下图：

图11目镜光线像差曲线

图12光瞳处像差曲线

图13目镜MTF曲线

图14波面像差曲线

分析结果表明目镜系统得波像差达到了优于λ/60得结果，说明设计十分理想。

2、3整体光学系统建模

按照前面得光学设计参数，在Zemax中建立整个望远镜系统得模型，注意物镜与目镜得焦点应当重合，其模型参数如所示。

表4望远镜系统参数

其光学设计图如下：

图15望远镜光学设计图

望远镜系统得像差如下图所示：

图16伽利略望远镜光线像差

图17伽利略望远镜光瞳处像差

图18伽利略望远镜MTF曲线

3、机械结构设计

在Solidworks中，对光机系统得机械结构与光学元件进行设计建模。

透镜采用压圈与隔圈进行安装与定位，整体结构如下图所示。

图21望远镜机械结构外观图

图22望远镜结构设计图

镜筒整体尺寸长240mm，物镜最大直径25mm，均满足了设计要求，系统安装完成后在透镜与镜筒之间得缝隙注入RTV，以减小振动带来得应力。