光學(xué)課程設(shè)計(jì)---數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　工程光學(xué)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二零一三年六月</b></p><p><b>　　目 錄</b>&

2、lt;/p><p>　　1.設(shè)計(jì)目的及意義3</p><p>　　2.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡主要特點(diǎn)4</p><p>　　3.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡技術(shù)參數(shù)5</p><p>　　4. 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡定義及原理5</p><p>　　5．鏡頭及整體尺寸的選擇6</p><p>　　5.1 物鏡組的選取6</

3、p><p>　　5.2 目鏡組的選取7</p><p>　　5.3 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡外形尺寸設(shè)計(jì)7</p><p>　　6．?dāng)?shù)碼望遠(yuǎn)鏡的基本組成及電學(xué)參數(shù)11</p><p><b>　　6.1組成11</b></p><p>　　6.2數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡電學(xué)參數(shù)11</p><p&g

4、t;　　7. 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡需要消除的像差類型及主要結(jié)構(gòu)形式12</p><p>　　8． 棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)13</p><p><b>　　9.設(shè)計(jì)報(bào)告14</b></p><p>　　10. 參考文獻(xiàn)15</p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)目的及意義</b></p><p&

5、gt;　　在現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)中，由于數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡單，成像清晰，能夠用較小的機(jī)身長度實(shí)現(xiàn)超長焦的效果，在加上先進(jìn)的數(shù)碼功能，可以實(shí)現(xiàn)較為清晰拍照錄像功能，大大拓寬了望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡具備的拍照功能，可以保存人生歷程中經(jīng)歷的眾多難忘瞬間，廣受體育運(yùn)動(dòng)教練員、球探、獵鳥人、野生動(dòng)物觀察員、狩獵愛好者以及任何一個(gè)攝影、攝像愛好者的青睞。目前國內(nèi)很多公安、軍警、野生動(dòng)物保護(hù)已經(jīng)利用數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡的

6、優(yōu)勢，應(yīng)用到工作中了，尤其是公安部門，他們可以輕松的遠(yuǎn)程拍照取證</p><p>　　2.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡主要特點(diǎn) 通過鏡頭內(nèi)部鏡片的移動(dòng)而改變焦距。當(dāng)我們拍攝遠(yuǎn)處的景物或者是被拍攝者不希望</p><p>　　打擾時(shí)，長焦的好處就發(fā)揮出來了。</p><p>　　對于鏡頭的整體素質(zhì)而言，實(shí)際上變焦范圍越大，鏡頭的質(zhì)量也越差。10倍超大變焦的鏡頭最常遇到的兩個(gè)問題就是鏡

7、頭畸變和色散。紫邊情況都比較嚴(yán)重，超大變焦的鏡頭很容易在廣角端產(chǎn)生桶形變形，而在長焦端產(chǎn)生枕形變形，雖然鏡頭變形是不可避免的，但是好的鏡頭會(huì)將變形控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。 </p><p>　　3.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡技術(shù)參數(shù)</p><p>　　放大倍數(shù) 8倍 鏡頭直徑 30mm 棱鏡系統(tǒng) Roof 棱鏡類型 BK-7 鍍膜 多層鍍膜 1000米視野 107米 重量 419克 像素 5

8、00萬 存儲(chǔ)卡（SD）插口 </p><p>　　內(nèi)存 16兆 LCD液晶顯示屏 1.5英寸彩色 電池 AAA(2)</p><p>　　4. 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡定義及原理</p><p>　　數(shù)碼照相望遠(yuǎn)鏡 = 望遠(yuǎn)鏡 + 數(shù)碼相機(jī) + 攝像機(jī) + 監(jiān)控遠(yuǎn)距離攝像頭 +USB 移動(dòng)硬盤 +SD 讀卡，是一種用于觀察拍攝及錄制遠(yuǎn)距離物體的目視光學(xué)儀器。</p&g

9、t;<p>　　在數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡的工作系統(tǒng)中，光線透過鏡頭到達(dá)反光鏡后，折射到上面的對焦屏并結(jié)成影像，透過接目鏡和棱鏡，我們可以在觀景窗中看到外面的景物。與此相對的，一般數(shù)碼相機(jī)只能通過LCD屏或者電子取景器（EVF）看到所拍攝的影像。顯然直接看到的影像比通過處理看到的影像更利于拍攝。 其原理如下圖所示：</p><p>　　圖1數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡原理圖</p><p>　　5．鏡頭及整

10、體尺寸的選擇</p><p>　　5.1 物鏡組的選取</p><p><b>　　物鏡組主要參數(shù)：</b></p><p>　　等效焦距②相對孔徑③視場角</p><p><b>　　物鏡組的種類：</b></p><p>　　雙膠物鏡②雙分離物鏡③雙單和單雙物鏡④三分離物

11、鏡⑤攝遠(yuǎn)物鏡</p><p>　　為了獲得較高的放大倍數(shù)與分辨率，我們選擇雙分離物鏡。</p><p>　　雙分離物鏡同樣由一塊正透鏡和一塊負(fù)透鏡組成空氣間隔，如圖所示。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　雙分離物鏡具有下列優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　A.物鏡的口徑不受限

12、制。因此，一些大口徑的物鏡都用雙分離物鏡，而不用雙膠物鏡。</p><p>　　B.能夠利用空氣間隔校正剩余球差，增大相對孔徑。在一般焦距(100一150 mm)時(shí)，相對孔徑可達(dá)1：2．5—1：3。</p><p>　　它的缺點(diǎn)是：光能損失增加，加工安裝比較困難，特別是兩透鏡的共鈾性不易保證。</p><p>　　5.2 目鏡組的選取</p><

13、p><b>　　目鏡組主要參數(shù)：</b></p><p>　　像方視場角②相對出瞳距離③工作距離S</p><p><b>　　目鏡組的種類：</b></p><p>　　惠更斯目鏡②冉斯登目鏡③凱涅爾目鏡④對稱目鏡</p><p>　?、?無畸變目鏡⑥艾爾弗目鏡。</p>&l

14、t;p>　　根據(jù)其像方視場角及相對出瞳距計(jì)算公式應(yīng)選取惠更斯目鏡，其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)</p><p>　　惠更斯目鏡它由兩個(gè)單透鏡構(gòu)成，間隔為d。 如下圖。光學(xué)特性為=45°~50°，≈1/2</p><p>　　天方望遠(yuǎn)鏡中常采用惠斯更斯目鏡。它的缺點(diǎn)是由于不存在實(shí)像面，因此不能安裝分劃鏡。</p><p>　　【惠更斯目鏡結(jié)構(gòu)示意圖】

15、 【惠更斯目鏡光路示意圖】</p><p>　　5.3 數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡外形尺寸設(shè)計(jì)</p><p><b>　　主要參數(shù)計(jì)算公式：</b></p><p>　　ω=1.22λ/D </p><p><b>　　由此可得 </b></p><p

16、>　　1.物鏡和目鏡之間的距離</p><p>　　2.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡放大鏡的倍數(shù)</p><p>　　3.物方視場角求解如下：</p><p>　　1. 目鏡的視場角：</p><p>　　2.數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡的分辨率：</p><p>　　由望遠(yuǎn)鏡分辨率與視放大率關(guān)系式：</p><p>　　3

17、. 物鏡的通光口徑：</p><p>　　物鏡的口徑取決與分辨率的要求，若使物鏡的分辨率與放大率相適應(yīng)，望遠(yuǎn)鏡口徑與放大率的關(guān)系滿足，為減輕眼睛負(fù)擔(dān)，可取及，這里系數(shù)取1.5 ，則: </p><p><b>　　4. 出瞳直徑：</b></p><p>　　5. 物鏡焦距與目鏡焦距：</p><p>　　6.

18、視場光闌的直徑：</p><p>　　根據(jù)三角形定則，計(jì)算視場角，：</p><p><b>　　7. 目鏡口徑：</b></p><p>　　目鏡的視場角，以及出瞳直徑限制了目鏡的口徑，據(jù)此計(jì)算：</p><p><b>　　8. 出瞳距：</b></p><p>　　

19、孔徑光闌選在物鏡框上，軸外光束的主光線通過物鏡中心O，假定在目鏡組的投射高為R</p><p>　　9.目鏡的視度調(diào)節(jié)量：視度的調(diào)節(jié)范圍一般為SD=視度。則目鏡的軸向移動(dòng)量x等于</p><p><b>　　其結(jié)構(gòu)圖如下</b></p><p>　　6．?dāng)?shù)碼望遠(yuǎn)鏡的基本組成及電學(xué)參數(shù)</p><p>　　6.1組成一、

20、鏡頭 鏡頭使景物成倒象聚焦在膠片上。為使不同位置的被攝物體成象清晰，除鏡頭本身需要校正好象差外，還應(yīng)使物距、象距保持共軛關(guān)系。為此，鏡頭應(yīng)該能前后移動(dòng)進(jìn)行調(diào)焦，因此較好的照相機(jī)一般都應(yīng)該具有調(diào)焦機(jī)構(gòu)。 二、取景器 為了確定被攝景物的范圍和便于進(jìn)行拍攝構(gòu)圖，照相機(jī)都應(yīng)裝有取景器，包括光電傳感器CCD與數(shù)字信號(hào)處理器 A/D。三、控制曝光的機(jī)構(gòu)——快門和光圈 為了適應(yīng)亮暗不同的拍攝對象，以期在膠片上獲得正確的感光量

21、，必須控制曝光時(shí)間的長短和進(jìn)入鏡頭光線的強(qiáng)弱。于是照相機(jī)必須設(shè)置快門以控制曝光時(shí)間的長短，并設(shè)置光圈通過光孔大小的調(diào)節(jié)來控制光量。 四、LCD 顯示屏</p><p>　　帶望遠(yuǎn)鏡的數(shù)碼相機(jī)，望多遠(yuǎn)拍多遠(yuǎn)·相機(jī)鏡頭與望遠(yuǎn)鏡鏡頭同步調(diào)節(jié)變焦。五、USB接口</p><p>　　通過 USB 接口，拍照后可在個(gè)人電腦上欣賞照片·支持 JPEG 單張靜態(tài)照片或 AVI 動(dòng)

22、態(tài)照片·具有抽取式硬盤功能，傳輸照片或動(dòng)態(tài)影像到你的電腦上，只需透過簡單的步驟便可觀賞、編輯、打印影像·可快速的透過電子郵件方式傳送精采畫面與你的親朋好友分享·自動(dòng)與手動(dòng)雙重模式切斷電源功能，可延長電池使用壽命· USB 接口即插即用 。 </p><p><b>　　六、SD卡</b></p><p>　　可使用 SD 閃存卡

23、·具內(nèi)存 16MB Flash ，可使用 SD 卡，最大支持 1G 。七、機(jī)身 它既是望遠(yuǎn)鏡的暗箱，又是照相機(jī)各組成部分的結(jié)合體。6.2數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡電學(xué)參數(shù)</p><p>　　電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）</p><p>　　它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓

24、縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CCD特點(diǎn) </p><p>　　矩陣式CCD，它的每一個(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快門打開時(shí)，整

25、個(gè)圖象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩種。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。在記錄照片的過程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號(hào)，將相鄰的四個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非?？?。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)7．?dāng)?shù)碼望遠(yuǎn)鏡需要

26、消除的像差類型及主要結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　當(dāng)基礎(chǔ)的外形尺寸設(shè)計(jì)完之后，需要進(jìn)行相差的計(jì)算包括：，，。</p><p><b>　　的相差容限</b></p><p>　　當(dāng)僅僅考慮初級像差時(shí)，經(jīng) 離焦后最大波相差由下式?jīng)Q定可得邊緣光球差容限為 =4倍焦深</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)具有初級和二級球差時(shí)（大多數(shù)

27、光學(xué)系統(tǒng)屬于此類），在對邊光校正好球差后，</p><p>　　0.707帶的光線具有最大的剩余球差。做 的軸向離焦后，系統(tǒng)的最大波象差由下</p><p>　　式?jīng)Q定，令其小于或等于 ，便可以得出邊光球差 時(shí)的帶光球差容限，即</p><p>　　由于實(shí)際中，邊緣光的球差并未校正到零，但必須控制在一倍焦深范圍內(nèi)，故邊光球差的容</p><p&g

28、t;<b>　　限應(yīng)為</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)，得</b></p><p><b>　　的相差容限</b></p><p>　　弧矢彗差的象差容限計(jì)算公式為</p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入計(jì)算可得</p><p><b&g

29、t;　　的容限</b></p><p>　　在考察位置色差 時(shí)，為了兼顧各個(gè)孔徑光線，應(yīng)當(dāng)著重考慮0.707H口徑光線的 ，</p><p>　　使其盡量接近于0。此時(shí)0H和1H的光線的 絕對值較為接近。這種情況就是位置色差</p><p><b>　　校正的理想狀況。</b></p><p><b&g

30、t;　　8． 棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)</b></p><p>　　通過一個(gè)典型開普勒望遠(yuǎn)鏡看到的圖象，是上下左右顛倒的，為了適應(yīng)地面觀測的需要，必須在物鏡（將遠(yuǎn)處的目標(biāo)成一倒立的實(shí)像）后面加一組棱鏡，將倒立的實(shí)像轉(zhuǎn)為正立的實(shí)像。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)像的常用兩種結(jié)構(gòu)棱鏡：Porro棱鏡和Roof棱鏡 。</p><p>　　由兩塊二次反射直角棱鏡組成，它們的主截面互相垂直。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示：</p

31、><p>　　【折轉(zhuǎn)形式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光路圖】</p><p><b>　　【等效示意圖】</b></p><p>　　此處所選擇的是轉(zhuǎn)像棱鏡是porro I 型棱鏡。該棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的特點(diǎn)：由兩個(gè)互相成直角（主截面互相垂直）放置的直角棱鏡構(gòu)成，也就是說，如果一個(gè)棱鏡起直角的作用，則另一個(gè)棱鏡的主截面與前者垂直，相當(dāng)于一個(gè)棱鏡的屋脊面，成倒像。</

32、p><p><b>　　9.設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　通過本次光學(xué)課程設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)到了數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性。</p><p>　　望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以其獨(dú)有的特性，在當(dāng)今的軍事、科研、醫(yī)療、生活中廣泛應(yīng)用。通過對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)各個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)研究，懂得了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本方法、基本數(shù)據(jù)、基本要求。強(qiáng)化了對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算的方

33、法、目鏡選擇的基本原則、物鏡選擇的基本原則、及目鏡物鏡相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)基本要求的基礎(chǔ)上，了解到了轉(zhuǎn)折形式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法PW法、及應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)中的光柵。</p><p>　　同時(shí)，在本次光學(xué)課程設(shè)計(jì)的過程中，不僅學(xué)習(xí)到了設(shè)計(jì)需要的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，也學(xué)會(huì)了基本的文獻(xiàn)查找方法，比如通過網(wǎng)絡(luò)搜索引擎查找資料、通過圖書館查找資料、通過“讀秀”系統(tǒng)在線查找資料、以及通過cnki等專業(yè)文

34、獻(xiàn)系統(tǒng)查找文獻(xiàn)。</p><p>　　總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。</p><p>　　由于本人的能力有限，難免出現(xiàn)一些問題和錯(cuò)誤，還望老師批評指正。相信

35、以后我會(huì)以更加積極地態(tài)度對待我的學(xué)習(xí)、對待我的生活。我的激情永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束，相反，我會(huì)更加努力，努力的去彌補(bǔ)自己的缺點(diǎn)，發(fā)展自己的優(yōu)點(diǎn)，去充實(shí)自己，只有在了解了自己的長短之后，我們會(huì)更加珍惜擁有的，更加努力的去完善它，增進(jìn)它。只有不斷的測試自己，挑戰(zhàn)自己，才能擁有更多的成功和快樂！To us, happiness equals success! 快樂至上，享受過程，而不是結(jié)果！認(rèn)真對待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，珍惜每一分一秒，學(xué)到最多的知識(shí)和方法，鍛煉

36、自己的能力，這個(gè)是我在課程設(shè)計(jì)中學(xué)到的最重要的東西，也是以后都將受益匪淺的！最后，感謝徐云璞老師的指導(dǎo)，同時(shí)感謝組員之間的相互配合，使得我們的課程設(shè)計(jì)能夠圓滿完成。</p><p><b>　　10. 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李林.應(yīng)用光學(xué)（第四版）.北京理工大學(xué)出版社.2010.3</p><p>　　[2]石順祥、王學(xué)恩

37、、劉勁松.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社.2009.7</p><p>　　[3]（美）萊金著，周海憲、程云芳譯.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2009.10</p><p>　　[4]蕭澤新.工程光學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）.電子工業(yè)出版社.2008.7</p><p>　　[5]田鐵印.典型光學(xué)系統(tǒng)總體研究及結(jié)構(gòu)分析.光學(xué)精密工程.1994年04期&