伽利略望远镜设计

伽利略望远镜设计报告

1. 总体设计要求及方法

课题要求设计一个伽利略望远系统，要求：放大倍率为5X，筒长为250mm，物镜最大直径不大于25mm，接受器为人眼。

伽利略望远镜是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，其放大倍率大于1。光路图如下：

图1 伽利略望远镜光路图

为对光学系统进行迭代设计和优化，采用光学设计软件Zemax对望远镜的物镜、目镜分别进行建模和优化，以取代繁琐复杂的光路计算。之后再将二者组合建模，并对最后的成像质量进行详细的评价。

2. 光学系统设计

2.1 初步参数设计

根据系统设计要求，镜筒长度250mm，而物镜到目镜的间距为：

视觉放大率要求为5x ，故有：

l 应当略小于筒长，因此将l 设计为240mm ，计算得出物镜焦距f o ’为300mm ，目镜焦距f e 为60mm 。伽利略望远镜一般以人眼作为视场光阑，物镜框为视场光阑，同时为望远系统的入射窗。由于视场光阑不与物面重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕现象。出瞳应位于人眼观察处，为方便观察，设定出瞳距离目镜15mm 处，物镜的直径为25mm ，因此出瞳据物镜距离为：

当视场为50%渐晕时，望远镜的视场角为：

计算得出望远镜的视场角ω为2.8°，可见伽利略望远镜的视场非常小。

2.1 物镜设计

2.1.1 结构选择

一般有三种结构形式：折射式、反射式和折返式。而一般军用光学仪器和计量仪器中使用的望远镜物镜为折射式物镜。单透镜的色差和球差都相当严重，现代望远镜一般都采用两块或多块透镜组成的镜组。其中又可分为双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜、摄远物镜，如下图所示。

图2 常见的物镜结构

双胶合物镜是最简单和常用的望远物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。双胶合物镜的优点为结构简单，制造和装配方便。通过选择材料以及弯曲镜面可以矫正透镜组的球差、彗差和轴向色差。

2.1.2 优化设计

根据前面的计算，物镜焦距f o’设计为300mm，最大口径为25mm。目视光学系统，波段选取为可见光波段0.4μm-0.75μm，并将人眼敏感的绿光0.55μm设为主要计算波段，如下图所示：

图3 Zemax波段设置

在系统设置中设定入射光瞳（Entrance Pupil Diameter）的大小设为25mm，视场角设为2.8°，如图所示：

选定一组合适的初始参数在Zemax进行建模和优化，凸透镜的材料选择BK7，凹透镜材料选择SF1。初始参数如下表：

表1 物镜初始参数表

选取三个折射面的半径和最后一个面的厚度作为优化变量，根据要求选取优化函数，其中应当在优化函数中选取有效焦距EFFL为优化变量，目标值选为240mm，即物镜焦距的设计值。并在优化函数中赋予较高的权重，这样可以使得Zemax优化得出符合焦距要求的设计。优化函数如下：

图5优化函数

然后使用Zemax进行优化，优化后得到的参数表如下：

表2 优化后的参数表

得到的设计如下图所示：

图6 物镜设计图其视场内的像差如下：

图7 光线像差

图8 光瞳处像差