华中科技大学光学课程设计报告

光学课程设计报告

姓名：罗风光 学号：U201013534 班级：光电1005

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一、 二、

1. 2. 3.

课程设计要求 ................................................................................................................... 3 设计步骤 ........................................................................................................................... 3 外形尺寸计算 ................................................................................................................... 3 选型 ................................................................................................................................... 5 物镜设计 ........................................................................................................................... 5 （1） 初始结构计算 ................................................................................................... 5

i. 求h、hz、J ...................................................................................................... 5 ii. 平板的像差 ....................................................................................................... 5 iii. 物镜像差要求 .................................................................................................. 6

? 求P、W ..................................................................................................... 6 ? 归一化处理 ................................................................................................ 6 ? 选玻璃 ........................................................................................................ 7 ? 求Q ............................................................................................................ 7 ? 求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径 ........................................ 7 ? 玻璃厚度 .................................................................................................... 8

（2） 像差容限计算 ................................................................................................... 8 （3） 像差校正 ........................................................................................................... 9 （4） 物镜像差曲线 ................................................................................................. 11 4. 目镜设计 ......................................................................................................................... 12

（1） 初始结构计算 ................................................................................................. 12

i. 确定接眼镜结构 ............................................................................................. 12 ii. 确定场镜结构 ................................................................................................. 14 （2） 像差容限计算 ................................................................................................. 15 （3） 像差校正 ......................................................................................................... 16

三、 光瞳衔接 ......................................................................................................................... 19 四、 像差评价 ......................................................................................................................... 20 五、 总体评价 ......................................................................................................................... 20 六、 零件图、系统图 ............................................................................................................. 20 七、 设计体会 ......................................................................................................................... 23 八、 参考资料 ......................................................................................................................... 24

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一、 课程设计要求

设计要求：双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像。 1、望远镜的放大率Γ＝6倍；

2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）； 3、望远镜的视场角2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。 6、lz′>8～10mm

二、 设计步骤

1. 外形尺寸计算

物镜焦距f1?4?D?120mm 出瞳直径D?'2''D?5mm ?f1'120??20mm 目镜焦距f??6分划板直径D2?2f1tg??16.7824mm 分划板半径

'D2?8.3912 2c b a

由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统。

h?7.5120?a ?8.3912?7.51203

根据要求，可取a?14mm。 解得：h?8.287mm

等效平板厚度D?2h?16.574mm

所以棱镜展开的实际厚度：L?KD?33.148mm 取L?33.5mm 因此，等效空气平板厚度d?

L33.5??22.1mm n1.5163f?ch ?'D/2f1其中c为物镜到第一个棱镜前表面的最小距离。

_'1_代入数据，得：

_8.287120?c? 15120_解得：c?53.7mm

因为实际物镜到第一个棱镜前表面的距离c满足：

c?120?a?b?2d?59.8mm

其中b为普罗I型棱镜系统的两棱镜的距离，根据要求，取b?2mm 由c?c知，设计满足实际棱镜通光口径的限制。

由物方视场2???，可得：

?_D']?2?22.08mm 目镜通光口径D3?[(f?f)tg??4'1'2分划板半径

'D2?8.3912 2?又由：tg???tg??6tg4，可得： 像方视场2??45.5

'?4

2. 选型

物镜：D/f?1:4，2??8，f?120mm

目镜：f?20mm2?'?45.5?，D?5mm，lz?8~10mm 查阅相关光学资料得，选择双胶合物镜和凯涅尔目镜。

'''?'3. 物镜设计 （1） 初始结构计算

i. 求h、hz、J

入瞳半径h?D?15mm 2第二近轴光线在入瞳的入射高度hz?0

u'?15?0.125 120'''拉赫不变量J?nuy?nuy?1?15?8.3912?1.0489 120ii. 平板的像差

由条件：d=33.5 ?=64.1 u=0.125 uz=4=0.0698rad

?n2?14SIP??d3u??0.006096

nSIIP?SIP?CIP??uz?0.003404 uu2??0.003667

d?n?1??n25

iii. 物镜像差要求

物镜像差要与平板像差以前校正，因此物镜与平板相应的像差之和应为零：

SI??SIP?0.006096 SII??SIIP??0.003404 CI??CIP?0.003667

? 求P、W

由SI?hP，SII?hzP?JW?JW（hz=0）

得P?SI?0.0004064 hW?SII??0.0032453 J? 归一化处理

___P?P?h??W3?0.20808

W?______?h??2??0.2077

C?CI?0.001956 2h?___又望远物镜物在无穷远，所以：

___?P?P

___W?W

?___???P0?P?0.85?W?0.1??0.19822（冕牌玻璃在前）

??2___?6

? 选玻璃

根据C?0.001956与P0的值查光学设计手册,可知BaK2-ZF2玻璃对在C?0.001956时，P0=0.2602，较为接近。选择BaK2-ZF2玻璃对。

由光学仪器手册可查询到BaK2-ZF2玻璃对的详细信息：

______P0?0.2602，Q0??4.2085，W0??0.0737

?1?2.0311，A?2.4050，K?1.7025

n1?1.5399，n2?1.6725

? 求Q

__?Q?Q0?P?P0=-4.0479 A__?Q?Q0?P?P0=-4.3691 AQ?Q0?W?W0=-4.0432 K__?Q= (-4.0479 -4.0432)/2= -4.0456

? 求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径

n1?1?1.5846 n1?1?1?Q??2?Q??1??2.1774 ?3?Q?f1'n2?11???0.6442 n2?1n2?1r1??1?75.73mm

7

r2?f1'?2f1'??55.11mm

r3?

?3??186.28mm

? 玻璃厚度

d为中心厚度，t为边缘厚度

?D?x1?r1?r1???=1.5004 ?2?22?D?x2?r2?r22???= -2.0806 ?2??D?x3?r3?r3???= -0.6049 ?2?222凸透镜：t1?D?3?x1?x210?=1.9258

凸透镜最小中心厚度为d1?x1?t?x2=5.5068

凹透镜：t2?D?8?x2?x310?= 4.1806

凹透镜最小中心厚度d2?t2?x2?x3= 2.7049

（2） 像差容限计算

根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。令其小于或等于即可得到边光球差的容限公式为：?Lm?'1波长，44? '2n'um'对边光校正好球差后，0.707带的光线具有最大的剩余球差。即?Lm?0时的带光球差容限为?L0.707?'6??0.2262mm '2n'um8

实际上，边光球差未必正好校正到零，需控制在焦深范围内。固此时边光球差的容限为1倍焦深。即：?Lm?'?'2n'um?0.0377mm

类似与球差，其它像差容限为： 位置色差：?LFC?'?nu''2m?0.0377mm

正弦差：SC?0.0025

弧矢彗差：KS?SC?y?0.02mm

'（3） 像差校正

上机进行像差校正之后，并参照光学器件设计手册，采用标准化半径之后参数得到的像差为

1.初始参数

物距 半视场角(°) 入瞳半径 0 4 15

系统面数 色光数 实际入瞳 上光渐晕 下光渐晕 7 3 0 1 -1

理想面焦距 理想面距离 0 0

面序号 半径 厚度 玻璃 STO 81.8500 5.507 1

2 -53.0900 2.705 BAK2

3 -157.0400 56.000 ZF2

4 0.0000 33.500 1

5 0.0000 2.000 K9

6 0.0000 33.500 1

7 0.0000 14.502 K9

9

☆定义了下列玻璃:

BAK2 1.5399 1.546276 1.537226

ZF2 1.6725 1.687472 1.666602

K9 1.5163 1.521955 1.513895

-------计算结果--------

1.高斯参数

有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')

120.33661 14.50241 -118.72772 14.50241

入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(?)

0.00000 -107.46478 8.41476 0.00000

入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U')

30.00000 30.40651 -0.31467 0.12465 2.像差

***零视场像差***

1H 0.85H 0.707H 0.5H 0.3H 0H

球差 ?L -0.0357 -0.0694 -0.0704 -0.0470 -0.0195 0.0000

'弥散园 ?LR -0.0045 -0.0074 -0.0062 -0.0029 -0.0007 0.0000

F光球差 ?

C光球差 ?'L'F 0.0925 0.0157 -0.0177 -0.0286 -0.0220 -0.0139

LC -0.0168 -0.0347 -0.0240 0.0119 0.0470 0.0707

10

x,x't's 0.8 1.6 ?Yz'Yz'??Yz'5% 0.02 7% 0.03 '?YFC

（3） 像差校正

-------输入数据--------

1.初始参数

物距 半视场角(°) 入瞳半径

0 22.725 2.5

系统面数 色光数 实际入瞳

5 3 -10 1 -1

理想面焦距 理想面距离

0 0

面序号 半径 厚度

STO 33.0400 1.500 1

2 8.5510 4.500 F4

3 -20.0300 17.310 ZK3

4 17.2190 4.500 1

5 0.0000 1.079 K9

☆定义了下列玻璃:

上光渐晕 玻璃 16

下光渐晕

F4 1.6199 1.632096 1.615036

ZK3 1.5891 1.595862 1.586242

K9 1.5163 1.521955 1.513895

-------计算结果--------

1.高斯参数

有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')

20.49332 1.07860 -6.46899 1.07860

入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率(?)

-10.00000 120.01797 8.58305 0.00000

入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U')

5.00000 -29.01906 -0.31412 0.12199 2.像差

***D光各视场像差***

相对视场 Lz1 Lz2 Yz' Xt' Xs' Xts'

1 -10.0000 59.4325 -8.3879 -0.0168 -1.4563 1.4395

.85 -10.0000 69.0623 -7.1406 -0.4655 -1.0705 0.6050

.7071 -10.0000 79.3477 -5.9664 -0.4190 -0.7457 0.3267

.5 -10.0000 95.4241 -4.2505 -0.2293 -0.3743 0.1449

.3 -10.0000 109.7902 -2.5654 -0.0837 -0.1350 0.0512

17

?Yz ?YzF ?YzC

'''?yFC' ?L'T ?L'S

1 0.1952 0.1847 0.1950 -0.0102 9.8370 -0.3001

.85 0.1550 0.1580 0.1506 0.0074 0.7356 -0.3309

.7071 0.1026 0.1107 0.0970 0.0136 -0.0565 -0.3395

.5 0.0410 0.0500 0.0359 0.0142 -0.2854 -0.3414

.3 0.0095 0.0159 0.0060 0.0099 -0.3290 -0.3403

KT'1.0H KT'.7H KT'.3H KS'1.0H KS'.707H KS'.3H

1 -1.2194 -0.1726 -0.0182 -0.0144 -0.0056 -0.0008

.85 -0.1171 -0.0324 -0.0035 0.0033 0.0022 0.0005

.7071 -0.0149 -0.0013 0.0004 0.0077 0.0040 0.0007

.5 0.0140 0.0081 0.0016 0.0074 0.0037 0.0007

.3 0.0127 0.0066 0.0012 0.0048 0.0024 0.0004

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三、 光瞳衔接

根据物镜、目镜像差校正后的高斯参数可知：

物镜像距：l1?14.50

物镜出瞳距：lZ1??107.46mm 目镜像距：l2?1.08mm 目镜出瞳距：lZ2?120.02mm 如上图，为了保证光瞳的衔接，必须满足：

'l1'?l2?lZ1?lZ2?3.02mm?10mm

''满足光瞳衔接要求。

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四、 像差评价

对于物镜，?Lm、?L0.707、KS均满足各自像差容限。?LFC0.707孔径处基本为零，保证了全孔径及零孔径处轴向色差绝对值基本相等。总体来看物镜成像质量较为理想。

对于目镜

'''x'ts、

'x,x't''?Ys、FC、

?Yz'Yz'??Yz'均在像差容限以内，很好

的满足了设计要求。KT在0.3口径全视场处超出像差0.004，其余良好满足像差容限。

总体看来系统成像情况比较良好，基本满足了设计要求。

五、 总体评价

根据设计要求，双筒棱镜望远镜需满足的技术指标有： 1、望远镜的放大率Γ＝6倍；

2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）； 3、望远镜的视场角2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。 6、lz ′>8～10mm

最终的各项技术指标均满足要求，具体如下：

1、 望远镜的放大率Γ＝5.80倍；出瞳直径D′=5.17mm； 2、 物镜的相对孔径D/f′＝0.2493； 3、 望远镜的视场角2ω＝8°；

4、 考虑棱镜的折叠，系统总长只有103.45mm，考虑到最终装配，实际总长约为110mm； 5、 棱镜最后一面到分划板的距离＝14.50mm，两棱镜间隔为2mm。 6、 出瞳距离lz ′=9.98mm；

六、 零件图、系统图

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系统图

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物镜零件图

表 面 处 理 ?nD 3C ??nF?nC? 3C 对 均匀性 3 玻 璃应力消除程度 4 的 要光的吸收度 3 求 杂纹消除程度 1C 气泡程度 5D N=3 ΔN=0.5 对 ΔR=B 零 件P=ν 的要?0.5 q? 求?50 C=0.05 '120.34 f Sf Sf' ? 30 标记 数量 文件号 签字 设计 棱核 审查 全部?14 日期 物镜第二透镜 图样标记 重量 比例 2：1

工艺检查 标准检查 审批定 准 玻璃BaK2-ZF2 共 1 张 第 1 张 22

七、 设计体会

对于光学课程设计这门课程，我的学习经历了从完全不懂—一知半解— 有了自己的理解的过程。在经历这个变化的过程中我感觉是相当的痛苦的，不过在痛苦中才能最大程度地激发人的潜力。有付出才有回报。

前几次上课的时候，对于我这个应用光学基本上就没怎么学懂的人来说，感觉就是不断机械地抄写老师的板书。因为应用光学实在是不记得什么内容了。直到第一次上机之前，我才认真学习了光学设计的报告手册，并且按照老师给的公式和方法计算了像差、归一化条件，并且选择了物镜玻璃。这里不得不说一下，我的物镜玻璃选择是比较失败的， P0相差了近0.7左右。这个确实是当时选择

的时候比较失误，只能说选择的时候不够耐心，没有认真选择。这也直接导致了我之后校正物镜像差的时候比较困难，像差比较大，不过好在物镜需要校正的像差比较少，最后还是完成了校正。

然后真正的挑战从目镜才刚刚开始，目镜的计算复杂，关键是需要校正的像差也更多。尤其是子午慧差KT非常难以校正，校正KT基本上占据了我90%以上的上机时间。并且在规定的上机时间中，我并没有完成目镜像差的校正。在之后的时间我在寝室上对目镜的KT进行反复多次的校正。最后我总结出来的经验目镜应该尽量少用自动校正，应该手动采用最小二乘法的方法，选择一个变量之后然后逐步逼近调整。并且选择难校正的变量，例如目镜中的KT。采用逐个变量逐步逼近的方法，这样校正效率最高，也不至于做无用功。还有就是自动校正物镜时，其实可以把光焦度作为一个校正目标，因为球差比较容易校正在目标之内，调好焦距之后一般就不需要校正球差了，个人觉得这样也是一种方法。不过不知道是否合理与正规。

这里必须评价一下TCOS这个软件，其实作为一个如此小型的软件，它的功能还是实用和强大的。但是这里不得不说的就是这个软件的自动优化比较容易使软件死机，这不是什么大问题。关键是可能由于年代久远的原因，TCOS对Win7几乎不兼容。在爱好电脑的同学的帮助下，我才成功的在电脑上运行了TOCS。（具体操作方法是使用批处理，bat文件的内容在体会之后附上）并且即便能够运行，也不能查询玻璃库，总之这个软件确实存在一些问题。希望老师以后能够提醒同学们注意，尽量在机房完成校正和计算结果输出，并且要保留像差图像。 在目镜和物镜双双校正完毕之后，整个系统基本上已经确定完毕了。但是报告的编写还是花了我不少的时间。尤其是公式的编写非常花时间。这里我经过网上查询之后，我选择了使用mathtype6.0这个可以内置于word之中的插件。编写起来比起Microsoft公式编辑器更加的方便，使用起来也更快捷，熟练之后能节省不少时间。

最后想说一下，虽然写这样一份报告耗时耗力都很多，但是觉得还是学到了一些，不说多的，至少把应用光学的许多内容强化加深了一遍，对自身还是很有

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帮助的。

PS：附上能够帮助在WIN7上运行TCOS的批处理文件内容 Copy /y *.OCX %windir%\\system32\\

regsvr32 %windir%\\system32\\COMDLG32.OCX regsvr32 %windir%\\system32\\DBGRID32.OCX regsvr32 %windir%\\system32\\RICHTX32.OCX regsvr32 %windir%\\system32\\Ss32x25.OCX regsvr32 %windir%\\system32\\TABCTL32.OCX regsvr32 %windir%\\system32\\Threed20.OCX

八、 参考资料

光学仪器设计手册（上）（光学设计与光学测量），编辑组

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《光学仪器设计》

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bzsw.html