1、第8章 目镜设计8.1 目镜的特点8.2 目镜的基本类型8.3 目镜设计举例第8章 目镜设计第8章 目镜设计8.1.1 目镜的光学特性目镜的光学特性目镜的放大率为8.1 目目 镜镜 的的 特特 点点2250f第8章 目镜设计8.1.2 目镜的像差特点目镜的像差特点由目镜的光学特性可知，目镜是一种短焦距、大视场、相对孔径较小的光学系统。8.1.3 目镜的视度调节目镜的视度调节如图8-1所示，将分划板相对目镜的物方焦点向右移动距离至A点位置，A点经目镜所成的像为A点，眼睛位于目镜的出瞳位置，A与人眼的距离为r，它是非正常眼的远点。第8章 目镜设计图8-1 目镜的视度调节第8章 目镜设计由牛顿公式有
2、对于近视眼, r0，0；对于远视眼, r0，0。当分划板由F2移动到时，视度调节了N个折光度，即22xxf f1Nr第8章 目镜设计式中r以米为单位。由此可以得到一般视度调节N=5折光度，根据视度调节范围可通过上式计算分划板与目镜的相对调节范围，这是目镜结构设计的重要参数。需要注意的是，为了保证视度调节时不使目镜表面与分划板相碰，目镜的工作距离应该大于视度调节时最大的轴向位移x。22mm1000N fx第8章 目镜设计8.2.1 惠更斯目镜和冉斯登目镜惠更斯目镜和冉斯登目镜图8-2为惠更斯目镜的结构示意图，它是由两块间隔为d的平凸透镜组成的。8.2 目镜的基本类型目镜的基本类型第8章 目镜设计
3、图8-2 惠更斯目镜第8章 目镜设计冉斯登目镜的结构与惠更斯目镜相似，它是由两块凸面相对并具有一定间隔的平凸透镜组成的，其结构示意图如图8-3所示。图8-3 冉斯登目镜第8章 目镜设计8.2.2 凯涅尔目镜凯涅尔目镜 凯涅尔目镜可以看做是冉斯登目镜的演变型式，其结构型式如图8-4所示。图8-4 凯涅尔目镜第8章 目镜设计8.2.3 对称式目镜对称式目镜对称式目镜是目前应用比较多的一种中等视场目镜，如图8-5所示，是由两个双胶合透镜组成的。图8-5 对称式目镜第8章 目镜设计8.2.4 无畸变目镜无畸变目镜 无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合透镜组构成的，其结构如图8-6所示。无畸变目镜
4、的特点是接目镜所成的像恰好落在三胶合透镜组第一个面的球心和等明点之间，有利于整个系统像差的校正。另外，接目镜的焦距一般为 也就是说，接目镜的入瞳位于平凸透镜前方12焦距处。1.62ffp 眼目第8章 目镜设计图8-6 无畸变目镜第8章 目镜设计8.2.5 广角目镜广角目镜 图8-7所示为两种目前应用较多的视场在60以上的广角目镜结构。这两种广角目镜的光学特性分别为：型 型0070602111.51.3pf007060211.5pf第8章 目镜设计图8-7 广角目镜(a) 型广角目镜; (b) 型广第8章 目镜设计8.3.1 目镜设计原则目镜设计原则在设计目镜时，通常按反向光路计算像差，即假定物
5、平面位于无限远，目镜对无限远目标成像(如图8-8所示)，在目镜的焦面上衡量系统的像差。8.3 目镜设计举例目镜设计举例第8章 目镜设计图8-8 反向光路计算图第8章 目镜设计8.3.2 目镜设计举例目镜设计举例1 广角目镜设计广角目镜设计笔者应国内某公司邀请设计一种820广角目镜，已知技术要求为视场82，焦距20 mm, 相对孔径1/8，出瞳直径34 mm, 出瞳距离10 mm。从相关资料中得到一种与设计要求较为接近的目镜结构。如果所选的目镜参数越接近所要设计的参数，则越容易校正和平衡像差，从而达到所要设计的要求。将资料中的各项参数输入到计算程序相应的选项中，见表8.1。第8章 目镜设计表表8
6、-1 初始参数初始参数第8章 目镜设计得到目镜的二维图像如图8-9所示。图8-9 目镜的二维图像第8章 目镜设计在调整阶段，主要遵循以下几个原则： 入射角很大的一面弯向光阑，以使主光线的偏角尽量小，从而减少轴外像差。 选择对像差变化敏感、贡献量较大的曲面，改变其曲率半径，以调整该曲面对整个系统的影响。 像差不可能校正到完美无缺的理想程度，最后的像差应有合理的匹配。第8章 目镜设计 连续改变每个结构参数以计算出像差变化量，从中可分析各结构参数对各种像差影响的大小和方向，然后决定应改变哪几个结构参数，变多少，向哪个方向变，再计算出新的像差结果。多次重复前面的工作，直到整个系统达到设计要求为止。 利
7、用透镜自身或透镜处于特殊位置时的像差性质。第8章 目镜设计初始结构的像差报表为：第8章 目镜设计图8-10是初始结构的MTF曲线。图8-10 目镜的MTF曲线第8章 目镜设计调整后的结构参数如表8-2所示。表表8-2 调整后的结构参数调整后的结构参数第8章 目镜设计调整后目镜的二维图像如图8-11所示。图8-11 调整后的目镜二维图像第8章 目镜设计该结构的像差报表为：第8章 目镜设计MTF曲线如图8-12所示。图8-12 调整后的目镜MTF曲线第8章 目镜设计再次进行人工调整，主要改变第一面的曲率半径，并局部调整间隔，得到结构参数如表8-3所示。表表8-3 再次调整后的结构参数再次调整后的结
8、构参数第8章 目镜设计再次调整后目镜的二维图像如图8-13所示。图8-13 再次调整后的目镜二维图像第8章 目镜设计该结构的像差报表为：第8章 目镜设计与上一个结构比较，除了球差稍增大以外，其余各像差均减小。对于一个光学系统来说，像差不可能校正到完美无缺的理想程度，最后的像差应有合理的匹配。该结构的MTF曲线如图8-14所示。从MTF曲线可以看出，传递函数也有所提高，系统的像质有明显的改善。由于本次设计的目镜需要有8个视度的调节量，因此调节距离为222083.2 mm10001000flN第8章 目镜设计图8-14 再次调整后的目镜MTF曲线第8章 目镜设计优化结果见表8-4。表表8-4 优化
9、后的目镜结构参数优化后的目镜结构参数第8章 目镜设计优化后得到目镜的二维图像如图8-15所示。图8-15 优化后的目镜二维图像第8章 目镜设计该结构的系统像差报表为:第8章 目镜设计第8章 目镜设计MTF曲线如图8-16所示。图8-16 优化后的目镜MTF曲线第8章 目镜设计2 望远系统设计望远系统设计1) 对光学性能的要求望远系统对光学性能的要求如下： 放大率 =2.7 视场 2=13 出射光瞳直径 d=4.5 mm 出射光瞳距离 P=26 mm 鉴别率 20第8章 目镜设计2) 方案选择和外形尺寸计算(1) 目镜选型。 目镜视场2:tan= tan=2.7 tan6.52=35第8章 目镜
10、设计 目镜焦距。对称型目镜的后截距一般有 把物镜框作为有效光阑，入射光瞳与物镜框重合，对入射光瞳和出射光瞳应用共轭点方程式，得到由此解得f 目fS0.75fSf目2-fffPSf目目物25mmf 目第8章 目镜设计 目镜相对孔径：4.51255.6df目第8章 目镜设计(2) 选择物镜。 物镜焦距： 物镜视场：2=13 物镜通光直径:效=D=d=2.74.5=12.2 mmf 物2.72567.5mmff目物第8章 目镜设计 物镜相对孔径:15.6Df物第8章 目镜设计(3) 计算分划板通光直径分(即视场光阑直径)。 取分划板厚度d分=2 mm。(4) 选择转像系统。为使系统成正像，并使仪器结
11、构紧凑，可采用棱镜作为转像系统。 为了实现正像，棱镜必须是偏角为0之倒像棱镜。为此，从手册中查得四种棱镜, 列于表8-5中。2tg14 4mmf 分物第8章 目镜设计表表8-5 转向棱镜转向棱镜第8章 目镜设计 计算光线射入棱镜时的最大入射角i最大，这是为了判断棱镜反射面上是否需镀银。应计算两条光线：(a) 轴向边缘光线的会聚角。mUmm6.1267.55 11DtgUfU 物第8章 目镜设计(b) 视场边缘像点对应的斜光束最大倾角。取线渐晕系数为0.5，则b光的倾角最大，如图8-17所示, 有比较与可知，棱镜入射光的最大倾角i最大=830。 b14.412.2242467.5bDtgf 分物
12、8 30bmUb第8章 目镜设计图8-17 斜光束倾角计算光路第8章 目镜设计 计算棱镜的通光直径棱。一般应严格按边光和a光计算，尽量使棱镜在入射和出射通光直径接近相等的位置，算出值应加些余量(一般加2 mm)。此处，因D与分接近，故直接取棱=分=14.4 mm。 选择棱镜。选择棱镜时主要考虑尽量利用全反射面，使镀银(或铝)面少；外形尺寸小，加工容易等。比较表8-5中四种棱镜可知，采用第三种形式(FP-0)较好。第8章 目镜设计 棱镜计算。棱镜材料选为ZK1，nD=1.5688；通光直径棱=14.4 mm；光轴长度L=4棱=57.6 mm；等效空气层厚度。到此，不难画出光学系统(见图8-18)
13、。57.636.8mm1.5688Ln第8章 目镜设计图8-18 系统光路第8章 目镜设计3) 像差设计(1) 计算目镜的像差。目镜结构参数选定如表8-6、表8-7和表8-8所示。初始数据：h1=2.25, 1=18.5, Lp=26, L1=。光路计算结果如下：24.595217.831817.8318fffSS 第8章 目镜设计表表8-6 目镜初始结构参数目镜初始结构参数第8章 目镜设计表表8-7 轴轴 上上 点点 像像 差差第8章 目镜设计表表8-8 轴外像差轴外像差第8章 目镜设计(2) 计算棱镜的初级像差。初始数据为：d=57.6, u=512=0.0908, up=630=-0.1
14、134nD=1.5688, nFC=0.009 04第8章 目镜设计初级像差计算如下:22322p30FCCF21LA0.08821osc0.0014220.212ndunndu un HnLdn 棱棱第8章 目镜设计(3) 对双胶物镜的像差要求为：CFCFLALA0.088oscosc0.001420.212LL 物棱物棱物棱第8章 目镜设计(4) 求解双胶物镜的结构参数。 将对物镜像差系数的要求转换成P、W、C。根据计算公式有222222CF2 67.52LA0.0880.31976.12 67.52osc0.001420.32506.1110.2120.0031467.5fPhfWhCL
15、f 物物物第8章 目镜设计 按P0和C的要求选择玻璃组合。求P0时选择王冕在前，则有P0=P0.85(W+0.1)2=0.3197+0.85(0.3250+0.1)2=0.3627C=0.003 14根据P0和C查表，并用内插法找到玻璃组合：K9， nD=1.5163F2,nD=1.6128 再通过内插法找到:1=2.083 565，Q0=4.502 188第8章 目镜设计 解方程式，求形状系数Q。将Q0分别代入公式，得到: (两根中取与下式接近的一个根)为了同时照顾球差和彗差的要求，形状系数Q应取平均值：000.31970.36274.5021882.352.35PPQQ 00.10.325
16、00.14.5021884.3674571.671.67WQQ 4.3668324.3674574.3671442Q 第8章 目镜设计4) 由Q、1计算曲率和半径21112123222.0835654.3671442.2835792.0835652.2835791.75199110.51631 2.0835652.2835790.51535910.6128cQccnccn 第8章 目镜设计最后得到：, 取标准半径r1=38.55, 取标准半径r2=29.58, 取标准半径r3=130.921167.538.531.751991frc物2267.529.562.283579frc 物3367.5
17、130.980.515359frc 物第8章 目镜设计(1) 透镜外径D外。采用压圈固定有D外=D+1.5=12.2+1.5=13.7取标准直径D外=14 mm。(2) 透镜厚度d1、d2。 取正透镜边缘最小厚度t1=1。计算弧高为：第8章 目镜设计221110.642Dhrr外222220.842Dhrr外223330.192Dhrr外第8章 目镜设计于是d1=h1+h2+t1=0.64+0.84+1=2.48取d1=2.5 mm(标准化)。负透镜之厚度，按D外/8D外/10选取，得d2=1.6 mm 负透镜之边缘厚度t2为t2=d2+h2h3=1.6+0.84-0.19=2.25 mm第8
18、章 目镜设计6) 验算验算物镜加棱镜的像差，其结构参数如表8-9所示。表表8-9 物镜加棱镜结构参数物镜加棱镜结构参数第8章 目镜设计初始数据为h1=6.1, =6.5, Lp=0, L1=。光路计算结果如下：像差验算结果见表8-10和表8-11。f67.86418.96fS 第8章 目镜设计表表8-10 物镜加棱镜系统的轴上点像差物镜加棱镜系统的轴上点像差第8章 目镜设计表表8-11 物镜加棱镜系统的轴外像差物镜加棱镜系统的轴外像差第8章 目镜设计7) 系统合成计算将物镜、棱镜、分划板及目镜合起来计算光路，其主要目的是： 计算系统总焦距满足要求时，目镜相对于物镜的位置； 计算实际的眼点距离； 计算系统出射光束的综合像差(同一束光的不平行性和不对称性)； 计算全系统各面的通光孔径效。pL第8章 目镜设计8) 实际光学性能计算(1) 放大率： (2) 出射光瞳距离:67.862.7624.6ff物目2224.617.83=26.75mm67.86ffPSf目目物第8章 目镜设计(3) 出射光瞳直径: (4) 鉴别率: (5) 透光度：K=0.9858.50.9890.952=0.6612.24.42mm2.76Dd1401.5172012.2
