望远物镜设计.docx
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望远物镜设计
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性?
望远物镜的光学特性有以下两点：
1.1相对孔径不大
在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D;f物）和目镜（D"目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径D和出瞳距离lz决定。
目前观察望远镜的出瞳直径D—般为4mm左右，出瞳距离lz一般要求20mm左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距f目一般不能小于25mm，这样目镜的相对孔径为
D电1
f目256
所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2视场较小
I
望远镜的视放大率为tanW，目前常用目镜的视场2w'大多在70以下，
tanw
这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8的望远镜，可得物镜视场2w为10。
通常望远物镜的视场不大于10。
像差特性：
由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求
校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差Lm，轴向色差Lfc和边缘孔径
的正弦差SCm。
而不校正Xs，Xp和yZ以及垂轴色差yFc。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的Lm，Lfc，SCm常常不是校正到零，
而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般
对F（486.13nm）和C（656.28nm）校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：
视放大率：
3.7；出瞳直径：
4mm；出瞳距离：
大于等于20mm；全视场角：
2w10;物镜焦距：
f物=85mm;棱镜折射率：
n=1.5163（K9）;棱镜展开长：
31mm；
棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。
为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差
为.5Lm=0.1mmSCm0.001LFC0.05mm
要求：
（1）计算棱镜的初级像差
（2）双胶合物镜的初级像差求解
（3）利用ZEMAX自动设计程序进行优化设计
解答:
n
-150.088
170
f物tanw85*tan（5）7.44;uztan（5）
棱镜入射光束的相关参数:
匹D得入瞳直径D=15mm;u呻
tanwDf物
Jnuy0.655;
棱镜本身参数为：
d=31mm,n=1.5163,v=64.1
（1）棱镜的初级像差:
球差：
S
0畸变：
Sv
n21
3~
n
du4;慧差：
SuS
uz
u
Sm
Uz
U
垂轴色差:
SHC
对于望远镜系统来说,
计算球差、
慧差和轴向色差:
du4=-0.00069;SnS
n
土=0.00068;
u
-0.00084
（2）双胶合物镜的初级像差求解:
根据整个系统的要求，求出系统的像差和数S,
Su
Sic:
$2nu'2L'2（0.088）20.10.00159
Su2nu'Ks2nu'（SC'gy'）0.00131
IIQI
ScnuLfc0.00039
以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求
得双胶合物镜的像差为：
S[0.00159（0.00069）0.0009
Su0.001310.000680.00063
0.00039（0.00084）0.00045
（2.1）下面初级像差方程求P,W,C
hp7.5*p0.0009,P=-0.00012
Su
0.00012=-0.176
0.0883
哼=-0.952
0.0882
Cgf物
0.000008*85=0.00068
由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化:
P=P-0.176,W=W-0.952,C0.00068
一——2
P0=P-0.85W-0.15-1.208
（2.2）根据P0和C选玻璃，得到:
K〔0:
nD=1.5181，v=58.9
ZF1:
nD=1.6475,v=33.9
5.10
（2.3）求透镜组半径
2.302
由上面的结果求半径:
—1Q2.3026.1423.84
r2
11r1ni1r2
11
「3Sr）21
2.302
1.51811
3.840.603
3.84
1.302
1.64751
1.829
上面的半径对应于焦距为
1，将它们乘以焦距f物=85mm，最后求得半径为:
r1140.96,r222.14,r346.47
（2.4）透镜厚度的选择：
d14,d22
双胶合物镜的全部参数为:
r1140.96,r222.14,r346.47
d14,d22
K10,ZF1
（3）ZEMAX得到的初始结构为如下：
焦距为92mm
将焦距设为85mm,优化后的结果为:
2皿士：
沖*
Cf
_1arz
E如X-Pitmmjr
Came
Bdidord
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—1
优化后结果比较理想，但含有少量的球差和慧差。
3.设计一个摄远物镜，其光学性能须满足以下要求:
I
f250mm
D.f'1:
7
2w1.5
解：
摄远物镜的特点就是系统的焦距大于系统长度，系统的相对孔径受到前组相对孔径的限制。
结构参数如下：
0EJ
Tiif
LM丄皿丄匚乎
5TO
Standard.
9CL5T794：
3-DDCDO
H-B43
2
▼因丄6765
£OUOOO
EF6
3
Standard
-440.33Z31
1.DOODO
4
Stinlaid
94.80281
6.00000
H-ZH7
5
Standard
<19.49341
70.00000
g
1O£.£91^5
空.OdDOO
7
Stsart^ard
-IO.20CEO
1-ZDOOQ
^:
-2ka
0
-
••r*
4.设计一个两镜式反射式物镜，焦距500mm,相对孔径1:
5,半视场角1°中心遮拦30%。
解:
取主镜口径100mm,焦距200mm,相对孔径为1:
2，则次镜的相对孔径为1:
2.5,系统遮光比0.3，主镜与次镜之间的间隔d=140mm。
次镜半径为-200mm。
设计的结构如下：
Sur£:
T/pe
kacLi.-Ll3-
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