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ZEMAX光学设计实例（124）---一个带棱镜的开普勒望远系统的设计

2021-12-20 10:43| 发布者：Davis| 查看：5482| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article introduces the design process of a Keplerian telescope with an Amici prism and a symmetric eyepiece using ZEMAX optical design software. The design parameters include entrance pupil diameter, focal length, and Hamamatsu optimization. The arti

引言：

三片式和四片式准直物镜常用作望远镜的物镜。低倍望远镜通常为开普勒型，由物镜和目镜构成，并带有棱镜。

棱镜有两个作用：

① 转向，如将光轴旋转90°或45°，以便观察；

② 物镜对目标成倒像，经过反射棱镜后还原成正像。

技术指标：

设计一个三片式准直物镜作为望远镜的物镜，经过阿米西棱镜（AmiciPrism）转向90°，成中间像，再用一个对称式目镜组成一个低倍望远镜。

物镜孔径D₀	倍率M	物镜焦距f`₁	目镜焦距f`₂	目镜转角
22.0mm	6.67	150.0mm	22.5mm	90°

设计流程：

（1）物镜选择与缩放

在光学手册或光学书中选择一个3片式物镜作为初始结构，LDE如下图：

此初始结构的入瞳直径为16.66667，物镜焦距f`₁为100mm，因此，我们先要修改下系统参数并将物镜焦距缩放到150mm。

首先，在视场设定对话框中设置3个视场（0、0.7、1），要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

然后，在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“22.0”；

再将物镜焦距缩放到150mm，LDE如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图：

（2）在三片式物镜后插入等效平板

阿米西棱镜，又称屋脊直角棱镜，可以将光轴转90°。

阿米西棱镜的示意图如下：

设正方形入射面边长为2a=24mm，并设入射点O（正方形中心）为坐标原点，则出射点K的坐标为（1.7071a，1.7071a）=（20.48，20.48），则棱镜内光轴长度为d=1.7071×(2a)=40.97mm。

在三片式物镜后100mm处插入一个等效平板，平板厚度与棱镜中光轴的长度（40.97mm）一致，材料为H-K9L，LDE如下图：

此时的2D Layout，如下图：

同样需要经过Hammer优化更换玻璃。

将玻璃设置为Substituted（S），并将五个曲率半径设置为变量（V），如下图：

开始Hammer优化。

优化后的LDE，如下图：

2D Layout，如下图：

点列图：

球差-色差曲线：

（3）修改为阿米西棱镜

将等效平板所在第6行改为非序列元件（Non-Sequential Component），并设置如下：

Exit Loc Y和ExitLoc Z分别为出射点的Y坐标和Z坐标；Exit Tilt X，出射光在X轴旋转-90°。

然后，在NSC Editor中进行如下图设置：

Object Type选择PolygonObject（多边形物体），并选择“Amici_roof.POB”，如下图：

并选择材料为H-K9L，尺度（棱镜的边长的一半，=a）为12。

查看3D Layout，如下图：

（4）目镜选择

选择一个10X对称式目镜作为初始结构，并将焦距缩放到22.5mm，LDE如下图：

2D Layout，如下图：

Ray Fan，如下图：

（5）开普勒望远系统的续接

将对称式目镜续接到三片式准直物镜的后焦面上，LDE如下图：

注意：目镜前焦面需要和物镜后焦面重合。

不同视场的光束经过目镜后变成了平行光束，相交于出瞳面上。

查看3D Layout，如下图：

为了显示方便，在出瞳面后加一个Paraxial面（理想透镜），令焦距为17mm（相当于“简约眼”的焦距），适当调整该面的厚度就可以得到收敛的结果，此时的LDE如下图：

此时的3D Layout，如下图：

这样，一个带棱镜的开普勒望远系统就设计完成了。

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