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凯尔纳目镜设计说明书.doc

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.97M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一、设计背景
    1.1目镜光学特性的特点
    目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，它的作用是把物镜所成的像，通过目镜成像在无限远，供人眼观察。它是
    ①焦距短
    望远镜物镜和目镜焦距之间存在以下关系:
    当目镜的焦距f增加时，f很快增加(因为|Γ|》1)。因此为了减小仪器的体积和质量，必须尽可能减小目镜
    对显微镜的目镜来说，它的焦距和视放大率之间符合以下关系:
    显微镜目镜的视放大率Γ-般在10*左右，显微目镜的焦距也在25左右。因此无论是望远镜的目镜，还是显微
    ②相对孔径比较小
    由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般为 2~4,因此军用望远系统的出瞳直径一般在
    ③视场角大
    根据望远系统的视放大率厂和物镜视场角w以及目镜的视场角w′的关系式
    tan w'=Γtan w
    无论是增大望远镜的视放大率Γ,还是增加视场角w，都要求增大目镜的视场角w′。对显微镜来说，要
    1.2常用的目镜结构及原理
    (1)惠更斯目镜结构与原理
    惠更斯( Huygoens)目镜是由两片未经过色差校正的凸透镜组成;靠近眼睛的一片称为目透镜，起放大
    图1.2.1 惠更斯目镜的结构
    (2) 冉斯登目镜结构与原理
    冉斯登目镜，由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相对，两者的间距d等于焦距的2/ 3。冉斯登目镜的
    图1.2.2冉斯登目镜
    (3)凯尔纳目镜结构与原理
    凯尔纳目镜，以字母K 表示，是冉斯登目镜的改进型，消除了冉斯登目镜的色差，这种目镜，视场大，常用在低
    (4)对称式目镜结构与原理
    对称式目镜是一.种中等视场的目镜,由两个相互对称的双胶合透镜构成,
    应用广泛，并且与其他目镜相比较，垂轴色差和轴向色差都能校正的较好，
    象散和慧差也可以校正得很好，场 曲也比较小。是中等 视场的目镜中像质较好的一种，出瞳距离也比较大，有
    图1.2.4 对称式目镜
    二、凯尔纳目镜系统参数计算
    2.1凯尔纳目镜设计结构与原理
    冉斯登目镜可以安装分划板,能够校正像散和彗差,但不能校正倍率色差。如果把冉斯登目镜中的接眼镜换成双胶
    三、仿真过程描述
    四、设计结果
    图像分析:所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统
    成像后，其对比度(即振幅)的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说
    明该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。这是利用光学传递函数来
    评价光学系统成像质量的主要方法。从理论上可以证明，像点的中心点亮度值等于MTF曲线所围成的面积，曲线
    息量越多,光学系统的成像质量越好，图像越清晰。因此在光学系统的接收器截止频率范围内，利用MTF曲线所
    是非常有效的。
    如上图所示明显可知，MTF曲线所围成的面积过小，光学系统的成像质量不高，所以需要对其进行优化。
    五、优化设计
    5.1优化步骤
    参考文献
    中北大学 光学设计 任务书 2019/2020 学年 第 2 学期 学 专 院： 业： 信息与通信工程学院 电子信息科学与技术 课程设计题目： 凯尔纳目镜设计 起 迄 日 期： 2020 年 6 月 1 日 --- 2020 年 6 月 21 日 课程设计地点： 科学楼 106 实验室 指 导 教 师： 孙鹏 陈友华 学科部副主任： 王艳红 下达任务书日期: 2020 年 月 日 课 程 设 计 任 务 书 1．设计目的：
    利用 ZEMAX 软件设计系统，对凯尔纳目镜的设计方法进行学习，并开展光路设计 与仿真测试等各环节的综合性训练，培养设计者运用课程中所学的理论与实践紧密结合， 独立地解决实际问题的能力。 设计者必须独立完成一个选题的设计任务。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1、设计内容: 学习掌握凯尔纳目镜特性，并根据其特性在Zemax中构建初始模型，根据参数要求进 行光路仿真和性能优化。 2、技术指标: (1) 入瞳直径：4mm； (2) 焦距：27.9mm； (3) 半视场：22.5 度； (4) 波长范围：0.51um、0.56um、061um。 3．设计工作任务及工作量的要求： 设计工作任务： （1）完成设计内容：包括光路的设计，实现光路设计内容中的各项要求； （2）完成设计说明书，进行课程设计答辩。 工作量的要求： （1）提供光路设计原理的介绍以及相关参数的计算； （2）提供用 ZEMAX 设计的光路图； （3）提供符合规定要求的课程设计说明书，图、表清晰。 课 程 设 计 任 务 书
    4．设计成果形式及要求： 1 Zemax 光路仿真图及优化结果； 2 课程设计说明书。 5．工作计划及进度： 2020 年 6 月 1 日----2020 年 6 月 21 日 6 月 1 日-3 日：查阅资料； 6 月 4 日-7 日：在指导教师指导下设计方案； 6 月 8 日-15 日：学生自主完成方案仿真优化，指导教师辅导； 6 月 16 日-19 日：撰写课程设计说明书； 6 月 20 日-21 日：答辩。 学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日
    目录 一、设计背景 ..............................................................1 1.1 目镜光学特性的特点 ................................................ 1 1.2 常用的目镜结构及原理 .............................................. 2 二、凯尔纳目镜系统参数计算 ................................................4 2.1 凯尔纳目镜设计结构与原理 .......................................... 4 2.2 目镜系统结构参数计算 .............................................. 5 三、仿真过程描述 ..........................................................8 四、设计结果 .............................................................11 五、优化设计 .............................................................14 5.1 优化步骤 ......................................................... 14 5.2 优化结果 ......................................................... 15 心得体会 .................................................................19 参考文献 .................................................................20
    中北大学光学设计课程设计说明书 一、设计背景 1.1 目镜光学特性的特点 目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，它的作用是把物镜所成的像，通过 目镜成像在无限远，供人眼观察。它是一-切目视光学仪器不可缺少的部件。目 镜特点如下： 1 焦距短 望远镜物镜和目镜焦距之间存在以下关系: 当目镜的焦距 f 增加时，f 很快增加(因为|Γ|》1)。因此为了减小仪器的体 积和质量，必须尽可能减小目镜的焦距。另一方面，仪器又要求有一定的出瞳距 f′物=-Γ′f′目 离，这就限制了目镜的焦距不能过小。一般望远镜目镜的焦距为 15~30。 对显微镜的目镜来说，它的焦距和视放大率之间符合以下关系: f′目 显微镜目镜的视放大率Γ-般在 10*左右，显微目镜的焦距也在 25 左右。因 此无论是望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦距短是它们的共同特点。 ②相对孔径比较小 由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般为 2~4,因 此军用望远系统的出瞳直径一般在 4 mm 左右，显微镜的出瞳直径则为 1~2 mm, 而目镜的焦距为 15~30 mm，所以目镜的相对孔径一般小于 1:5。 ③视场角大 根据望远系统的视放大率厂和物镜视场角 w 以及目镜的视场角 w′的关系 式 tan w'=Γtan w 无论是增大望远镜的视放大率Γ,还是增加视场角 w，都要求增大目镜的视 场角 w′。对显微镜来说，要增加物镜的线视场必须增加目镜物方焦面的线视 1
    中北大学光学设计课程设计说明书 场，在目镜焦距一一定的条件下，也要增加目镜的视场角 w′'。因此目镜的视 场一-般都比较大，通常 2 w′在 40°左右，广角目镜的视场在 60°左右，某 些特广角目镜甚至达到 100°。视场角大是目镜的一个最突出的特点。 1.2 常用的目镜结构及原理 (1)惠更斯目镜结构与原理 惠更斯( Huygoens)目镜是由两片未经过色差校正的凸透镜组成;靠近眼睛 的一片称为目透镜，起放大作用;另一片称为场透镜，它的作用使映像亮度均匀。 在两块透镜之间的目透镜焦平面放一光栏，把 显微刻度尺放在此光栏上，从目 镜中观察到迭加在物象上的刻度。如下图 1.2.1 所示，这就是所谓的惠更斯目 镜。 图 1.2.1 惠更斯目镜的结构 (2) 冉斯登目镜结构与原理 冉斯登目镜，由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相对，两者的间距 d 等于焦距的 2/ 3。冉斯登目镜的球差、轴向色差和畸变等均小于惠更斯目镜， 但垂轴色差较大。若用消色差胶合透镜代替接目镜(称为凯尔纳目镜)，则可校正 垂轴色差。冉斯登目镜可当普通放大镜使用。如下图 1.2.2 所示，这就是所谓的 冉斯登目镜。 2
    中北大学光学设计课程设计说明书 图 1.2.2 冉斯登目镜 (3)凯尔纳目镜结构与原理 凯尔纳目镜，以字母 K 表示，是冉斯登目镜的改进型，消除了冉斯登目镜 的色差，这种目镜，视场大，常用在低倍率观测上，如彗星或大面积的天体。结 构如图 1.2.3 所示: (4)对称式目镜结构与原理 图 1.2.3 凯尔纳目镜 对称式目镜是一.种中等视场的目镜,由两个相互对称的双胶合透镜构成, 应用广泛，并且与其他目镜相比较，垂轴色差和轴向色差都能校正的较好， 象散和慧差也可以校正得很好，场 曲也比较小。是中等 视场的目镜中像质较好 的一种，出瞳距离也比较大，有利于缩小整个仪器的体积和重量，因此在--些中 等倍率和出瞳距离要求较大的望远系统中使用的很多。如下图 1.2.4 所示，这就 是所谓的对称式目镜 3
    中北大学光学设计课程设计说明书 图 1.2.4 对称式目镜 二、凯尔纳目镜系统参数计算 2.1 凯尔纳目镜设计结构与原理 我们先了解下冉斯登目镜：冉斯登目镜由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相 对，两者的间距 d 等于焦距的 2/3。冉斯登目镜的球差、轴向色差和畸变等均小于惠更斯 目镜，但垂轴色差较大。若用消色差胶合透镜代替接目镜，则称为凯尔纳目镜，可校正垂轴 色差。 冉斯登目镜可以安装分划板,能够校正像散和彗差,但不能校正倍率色差。如果把冉斯登 目镜中的接眼镜换成双胶合透镜组，就有可能校正倍率色差,这就是凯涅尔目镜。凯尔纳目 镜，以字母 K 表示，是冉斯登目镜的改进型，这种目镜，视场大，常用在低倍率观测上，如 彗星或大面积的天体。 如下图 2.1.1，图 2.1.2 分别为冉斯登目镜和凯尔纳目镜 4
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