1、光学总体设计Optical general design题目名称 ： 10 倍炮对镜学 校： 长春理工大学 学 院： 光电工程学院 专 业 ： 探测制导与控制技术 学 号 ： 1 姓 名： 2013.12.20目录一、概述 .11、设计背景 .12、设计目的 .13、望远光学系统的原理和应用 .1二、10 倍炮对镜的设计 .31. 要求 .32. 目镜的选择与计算 .3(1) 目镜 2-30 .3(2) 目镜的反转和计算 : .4(3) 光线追迹法求 .4(4) 计算出瞳距 : .53. 物镜选择 .6(1) 根据目镜焦距求取物镜焦距 .6(2) 物镜视场角 .6(3) 物镜通光口径 .6(4
2、) 相对孔径 .6/fD(5) 物镜结构 .6(6) 物镜设计： .74. 分划板的确定 .75. 棱镜计算 .8(1) 棱镜结构 .8(2) 棱镜展开 .86. 设计结果 .9附录 .11光线追迹 matlab 程序 .110一、概述1、设计背景在现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的大口径光电系统的应用越来越广泛。比如：天文望远镜、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输，惯性约束聚变装置等等。2、设计目的(1)熟悉典型望远镜的基本原理，通过设计对光学系统有最基本的了解；(2)能运用应用光学的知识计算出望远光学系统的基本参量；(3)了解一些光学器件的工作
3、原理和应用；(4)学会系统分析光学系统的问题，并提出解决的办法，从而使光学系统的工作效果达到一个较好的状态；(5)了解光学设计中的 PW 法基本原理。3、望远光学系统的原理和应用开普勒式望远镜开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。这种望远镜成像是上下左右颠倒的，但视场可以设计的较大，最早由德国科学家开普勒（Johannes Kepler）于 1611 年发明。为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜引在光路中增加了转像稜镜系统。此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。原理由两个凸透镜构成。由于两者之间如图左侧为
4、实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。1伽利略望远镜物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。其优点是镜筒短而能成正像，但它
5、的视野比较小。把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。(3)10 倍炮对镜炮对镜 battery commanders telescope，用于观察和测角的潜望式双目光学仪器。旧称剪形镜。炮兵主要用它观察战场、搜索目标、侦察地形，观察射击效果2和测定炸点偏差量，也可用于测定炮阵地、观察所的坐标。炮对镜由两个单目镜筒组成的双筒潜望镜、方 向测角机构、高低测角机构和三脚架组
6、成 。双筒潜望镜的放大倍率 816 ，视场 4.57。两个镜筒可以绕铰链轴转动，在0180范围内任意张开 ，以便在隐蔽条件下工作时增强体视感或增加潜望高度。方向测角范围为全圆周。高低测角范围一般为300+1000 密位 ，测角精度一般均为 1 密位。三角架用于支撑和固定镜体其他部件。19 世纪末出现了炮队镜。第一次世界大战以来，炮对镜得到广泛使用，成为炮兵的一种重要观测器材。二、10 倍炮对镜的设计1. 要求物镜视场角: 82出瞳直径： mD4眼睛间距： p分辨率: “6渐晕系数： 7.0k棱镜后表面到分划板的距离 ： ma1棱镜: FXJ-90 roof prism材料： BaK7目镜: 2
7、-30物镜： ZK3，F52. 目镜的选择与计算 (1) 目镜 2-30根据光学设计仪器手册可知3图 1 目镜 2-30 结构目镜相关参数 ： 5.28.578296.4 dSf f表 1 目镜参数rdn-172.11 7.6 1.5688-22.40 0.2146.56 7.1 1.5688-47.21 0.237.07 15.0 1.5688-28.56 1.6 1.806031.12 7.4 1.5163(2) 目镜的反转和计算:表 2 目镜反转参数rdn-31.12 7.4 1.516328.56 1.6 1.8060-37.07 15.0 1.568847.21 0.2-146.56
8、 7.1 1.568822.40 0.2172.11 7.6 1.5688(3) 光线追迹法求根据光线追迹的原理，由 Matalb 程序求解Matlab 计算结果 :4表 3 目镜成像参数n h1 0 0 0 0 102 0 -0.32134 -0.56979-0.051546 -194 103 -195.6-0.051546 0.40457 0.46574 -0.11272 -89.45 10.08244 -104.45 -0.11272 -0.20488 -0.321410.0038182 3083.5 11.77365 3083.30.0038182 0.24555 0.156520.0
9、92846 126.8 11.60086 119.70.092846 -0.16867 -0.26461 0.18879 58.867 11.11377 58.667 0.18879 0.30565 0.19483 0.29961 36.967 11.07578 29.367 0.29961 -0.24849 -0.38983 0.44095 19.954 8.79865可以求得 （目镜后表面到像方焦点的距离) , 954.1fS(4) 计算出瞳距:图 2 炮对镜初步结构由于一般情况下望远系统的孔径光阑是物镜的边框，则根据出瞳定义：孔径光阑经后面光学系统的在像空间所成像是出瞳，如上图所示。则有
10、：根据牛顿公式 ：fx5 2221 )()( fspfspfspf ffmp45.0/96.245.1m83. 物镜选择 (1) 根据目镜焦距求取物镜焦距 /2121fffm6.490.(2) 物镜视场角 82(3) 物镜通光口径 D/m401望远镜分辨率 “5.3/140D小于 ，所以符合设计要求. 6(4) 相对孔径 /f16025.249/0/fD(5) 物镜结构根据题目所给出的视场大小及相对孔径的大小选择物镜所需的结构。本次系6统设计中由于所设计的系统的视场不大，相对孔径也不大，故可选用双胶合物镜。图 3 物镜结构(6) 物镜设计：根据公式选择（ZK3 和 F5）组合透镜。 9.35624.1:5261893nFZK计算结果： 0684.09.21 设定正透镜的厚度是 6mm，负透镜厚度为 3mm令 21r1n322rmr74.1534. 分划板的确定分划板尺寸 ：7mfanD9075.34t21分5. 棱镜计算(1) 棱镜结构由光学仪器设计手册知 FBJ-0屋脊棱镜的机构如下图表 4 棱镜结构参数a=1.223Db=Dc=Dd=1.800De=Df=0.246Dh=1.945DL=2.980D图 4 屋脊棱镜 90FXJ(2) 棱镜展开屋脊棱镜：90FXJ2.980DL
