普通开普勒式望远镜光学设计1-初始结构设计选型与物镜像差校正

前言：作为一个光电本科生，这学期学了点应用光学，光学设计和Zemax，算是终于拿起了自己的老本行来了，这学期的课设便是设计一个开普勒式望远镜，起初只是需要使用PW法设计一个双胶合物镜就行了，寒假在家决定把目镜也设计了，主要是使用缩放法进行初始结构的像差矫正。

原理:

图中可见开普勒望远镜是由正光焦度的物镜与正光焦度的目镜构成，与显微镜不同的是望远镜的光学间隔为0，平行光入射平行光射出。其系统的视觉放大倍率为：

由于开普勒望远镜成倒像不利于观察，故而需在系统中加入一个由透镜或棱镜构成的转像系统。军用望远镜的转像系统多是用两个互相垂直放置的棱镜（即保罗棱镜）组成。
其总体结构如下:

课程设计题目要求：
10倍双目望远镜
视放大率Γ= 8
物镜视场角: 2ω =7°
出瞳直径：D’= 5 mm
出瞳距：p = 20 mm
分辨率: α= 6’’
渐晕系数：k = 0.55
棱镜后表面到分划板的距离：a = 26.3 mm
棱镜: 普罗I型棱镜
材料： BAK7
结构设计：
由于物镜的视场比较小，我们直接选用双胶合透镜来消球差与位置色差就行。
对于目镜，其视场较大2w’=55°，我们参考书上的满足出瞳距与视场的目镜，我们拟选用如下结构目镜:(参考自《光学设计手册上》）

其结构参数如下：

其出瞳在右侧，实际对于目视光学系统出瞳应该在左侧，所以我们要将其倒置，求取其出瞳距，看是否满足要求，我们通过近轴光学追迹确定其出瞳位置判断其符合出瞳距要求。
故物镜的焦距为8乘20.216=161.728mm。由物镜为简单透镜，为望远镜的入瞳，故物镜孔径为5乘8=40mm。
其分划板为2tanw*f1=19.78mm。其分辨率为140’’/D入<6’'符合要求。
棱镜口径
我们利用如下公式计算出棱镜的口径从而确定其对应的等效展开排序平板的厚度。

求得其D棱=20.873mm(考虑渐晕)从而确定物镜距棱镜的距离为:82.21mm。
至此，我们完成了总体尺寸结构的计算

物镜设计:
对于物镜，我们考虑以下像差：球差，正弦差，位置色差。其像差容限按公式计算如下:
(分别满足六倍焦深与一倍焦深)
物镜的初始结构设计方法有两种，一种是使用PW法完成(依据棱镜像差与物镜像差互为相反数而抵消);另一种通过选取一对冕牌玻璃与火石玻璃，再由公式完成光焦度的分配(基于阿贝数)，从而确定各面的曲率半径。我们这里通过PW法已经给定了物镜的结构参数如下:（PW法具体算法略)

其点列图如下:

可以看出各视场存在较大垂轴球差，在0视场与2°视场存在倍率色差。
其轴向球差如下:

可见0孔径与0.7孔径的球差较大，需要进行球差矫正.同时其位置色差也不达标。
我们需要对其进行优化，我们使用spot diagram作为其评价函数，在默认的操作上数的基础上(各视场的各孔径轴向球差TRAC)再加入三个新的操作数，AXCL（轴向色差操作数,在0.7带消色差),COMA(彗差操作数),MXCT(间隔厚度操作数，保证棱镜后表面距分划板距离恒为26.3mm).其权重都取值为1.如下图:

我们选择双胶合透镜的前两个半径为变量，将第三个半径设置为F数为161.728/40来控制物镜的焦距固定(也可以将其设置为变量，并在操作数中引入EFFL来控制焦距),再将棱镜后一面与分划板(像面)的间隔进行离焦处理，即选择边缘光线高度(M)求解。
优化后其点列图与轴向球差图如下:

我们发现经过优化后其球差与位置色差大幅减少，0.7带的位置色差非常小，接近为0，但是边缘带的球差却任然稍大于容限，故我们选择重新分配各操作数的权重，将AXCL权重减少为0.5以稍增大位置色差，同时将0视场0.942孔径的TRAC提高到0.5，再次进行优化，得到其轴向球差图如下:

其结构变为:

此时各像差容县都得以满足，但是我们查看离焦点列图与场曲图如下:

两种图都可以看出该物镜在较大视场角下有较大的场曲与像散，双胶合物镜无法有效消除场曲与像散，所以我们需要在进行目镜设计时考虑物镜的场曲和像散，将物镜与目镜的轴外像差进行抵消平衡。至此望远物镜设计完成。
其成像分析可见明显的场曲(边缘模糊):

其Layout如下图:

普通开普勒式望远镜光学设计1-初始结构设计选型与物镜像差校正相关推荐

除了发现开普勒90，NASA还用AI做了什么？
NASA一直是个非常神奇的存在,作为拿了川普200亿拨款的国家航天局,全世界的人们都好奇他们到底在干嘛. 而NASA似乎一直在做着一些稀奇古怪的事,比如每天发布星云.星球的高清美照,让马斯克的Spac ...
开普勒三大定律和万有引力定律随笔
开普勒三大定律和万有引力定律随笔张昊楠三峡大学物理学系作者保留本文一切版权,侵权必究本文未完全写完,这只是初稿,先发着,暑假会对本文进行完善开普勒行星运动定律的发现开普勒的发现: 1600 ...
美NASA发现宜居带类地行星开普勒-22b, 科学家乐观悲观各执己见
本文转载至:http://zhexue.sinaapp.com/?p=101 美国宇航局所属开普勒空间望远镜于2011年12月确认了首颗位于所谓"宜居带"中,并且围绕一颗和我们的太 ...
eclipse开普勒_开普勒之路–里程碑3到来
eclipse开普勒尽管有些人仍感觉到e4的性能不佳所带来的影响,但人们还是将目光转向了2013年的SDK( Eclipse开普勒) ,这已经是其第三个里程碑. 在Juno到来之前,Eclip ...
有限覆盖定理证明区间套_圆内整点问题的开普勒猜想证明，关于圆内整点问题误差项的估值E(r)=1-x,x=sin(nx)...
将圆内整点问题视为格点对于圆的最大密度填充,用开普勒猜想证明,二维平面的圆内整点问题误差项的估值 ,圆半径的格点数表示 , , 延拓至椭圆内整点问题结合皮克定理可应用于椭圆周长计算,当短长轴之比趋于 ...
开普勒行星运动第二定律在电子与原子核运动中的应用
开普勒行星运动第二定律,也称等面积定律, 指的是太阳系中太阳和运动中的行星的连线(矢径)在相等的时间内扫过相等的面积. 其实你们会发现,电子绕着原子核转,也是二次反比关系. 也就是说, 指的是电子核周 ...
京东开普勒php接口,IOS菜鸟初学第十五篇：接入京东开普勒sdk，呼起京东app打开任意京东的链接-Go语言中文社区...
我之前写了一篇关于接入京东联盟sdk的文章,但是最近,由于这个原因,如下图导致需要重新集成京东的sdk,但是由于某种原因,因为android和ios端不统一,android接入的是京东开普勒的SDK ...
【历史上的今天】12 月 27 日：第一台计算机背后的女性们；Box 创始人出生；开普勒诞生
整理 | 王启隆透过「历史上的今天」,从过去看未来,从现在亦可以改变未来. 今天是 2022 年 12 月 27 日,在 2002 年的今天,南水北调工程开工典礼举行.南水北调是一个可持续发展的工程 ...
京东开普勒iOS端对接遇到的奇葩问题
最近项目接入京东开普勒,和淘宝客sdk.淘宝还算顺利,京东接口调用折腾了半天,纯粹是纠文字理解.将相关问题和解决办法分享出来,希望大家遇到不会消耗时间. 京东开普勒 API 1.0 SDK 2.x 1 ...

普通开普勒式望远镜光学设计1-初始结构设计选型与物镜像差校正

普通开普勒式望远镜光学设计1-初始结构设计选型与物镜像差校正相关推荐

最新文章

热门文章