简单望远物镜设计说明
时间：2020-09-21 15:34:22 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
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电气工程学院
课程设计说明书
设计题目： 简单望远物镜设计
系 别：
年级专业：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称： 光学仪器基础课程设计
基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师：王志斌
学号
学生姓名
（专业）班级
设计题目
简单望远物镜的设计
设
计
技
术
参
数
焦距mm，相对孔径为1:10。
要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。
入瞳位置在物镜上。
设
计
要
求
计算望远物镜的各个参数；
上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求
参
考
资
料
刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，西安
《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京
光学设计软件ZEMAX
应
完
成
内
容
6.206.21计算设计双胶合透镜的各个参数
6.226.23上机进行优化设计，确定最后的设计结构
6.28答辩
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院 教务科
目录
TOC \o "1-3" \h \z \u
第一章 设计要求 1
第二章 设计方法和ZEMAX软件 1
2.1设计方法 1
2.2 ZEMAX软件介绍 2
第三章 设计过程 3
3.1 P、W法计算初始结构 3
3.2 ZEMAX软件优化曲率半径 7
第四章 像差分析 15
心得体会 17
参考文献 18
.. ..
绪论
在薄透镜组中，应用最多的是双胶合透镜，因为它是能够满足一定的P、W、C的最简单的结构形式。它是一种把低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的透镜。设计时，在蓝色（486.1nm），绿色（546.1nm）和红色（656.3nm）三个波长，对分散的不同值和透镜形状进行了优化，实现了最小色差。因此，此类透镜可在整个可见光区域内使用。其球差在设计时也进行了优化，和单个透镜相比，双胶合透镜的球差要小的多。使用于无限远共轭状态时，其球差最小。
摘要
光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法; 而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。
第一章 设计要求：
设计一个焦距为500mm，相对孔径为1:10的望远物镜，要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。入瞳位置在物镜上。
第二章 设计方法和ZEMAX软件
2.1设计方法：
任何光学系统或光组的像差参量表达式均可分为两部分：一部分称为内部参数，是指光组各个折射面的曲率半径r、折射面间的间隔d和折射面间介质折射率n；另一部分参数称为外部参数，是指物距l、焦距f'、半视场角w和相对孔径D/f'等。
P,W不仅和内部参数有关，而且也和外部参数有关,成为内部参数与外部参数的桥梁。
光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法；而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。双胶合玻璃透镜的结构参数的计算步骤如下：
（1）由、按式求
（2）由和查附录1找出需要的玻璃组合，再查附录2,按所选玻璃组合找出、、、。
（3）由式和式求：
将以上两式求得的值比较，取其接近的一个值。
（4）根据求折射球面的曲率半径、、。计算公式为：
（5）由上面求得的曲率半径是在总焦距为1的归化条件下的曲率。从薄透镜可知，如果实际焦距为，则半径和成正比，即得：
本次课设主要采用解析法（PW法）计算双胶合透镜的初始结构参数。
2.2 ZEMAX软件介绍：
ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。
ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统，
ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。
ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。
ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。
ZEMAX 的界面简单易用， 只需稍加练习， 就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。
ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。
ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。
第三章 设计过程：
3.1 P、W法计算初始结构
（1）、选型。这个物镜的视场角很小，所以轴外像差不大。主要校正的像差为球差、正弦差和位置色差。相对孔径也不大，故选用双胶合型，孔径广阑与物镜框重合。
（2）、确定基本像差参量。根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有：
亦即
由此可得像差基本参量为：
,,
（3）、求。由式
可得：
因为玻璃为选好，可暂选用冕牌玻璃进行计算。取,并将和的值代入上式，得：
（4）、根据和从附录1查玻璃组合。由于K9玻璃性能好而且熔炼成本地，因此应优先选用。可选它和玻璃组合，当时，由附录1查得。从附录2查得K9（）和（）组合的双胶合薄透镜组的各系数为：,,
,并取A=2.44.K=1.72
（5）、求形状系数：
由于，不存在严格的消像差解，但因值接近于，可认为，因此可得，。
（6）、求透镜各面的曲率（规划条件下的）：
（7）、求薄透镜各面的球面半径：
现将该透镜系统结构数据整理如下：
，物距,入瞳半径，入瞳距第一折射面距离
玻璃牌号
309.165
—
K9
（8）、求厚透镜各面的球面半径。光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下：
= 1 \* GB3 ①光学零件外径的确定。根据设计要求和，可算出通光口径。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得2.5，由此可得透镜的外径为52.5。
= 2 \* GB3 ②光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：
对凸透镜：高精度
中精度
其中还必须满足
对凹透镜：高精度且
中精度且
式中，为中心厚度，为边缘厚度。具体结构如图（1）所示。
根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。
凸透镜：
式中、为球面矢高，可由下式求得
式中为折射球面半径，为透镜半径。
图（1）双胶合透镜
将已知数据代入可求得，
然后，再将它带入式的凸透镜最小边 缘厚度：
凸透镜最小中心厚度：
凹透镜：
的求法同上，将已知数代入式得。然后，再将它代入式便可求得凹透镜最小边缘厚度：
= 3 \* GB3 ③在保持和角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的和角不变，由式和式可知当和不变时，、在变换时可保持不变，放大率亦保持不变。当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则光学系统的光焦度亦保持不变。
3.2 ZEMAX软件优化曲率半径
一般来说，透镜组的全部结构参数都可以用作优化变量参与优化。本次课设主要是对透镜的曲率半径进行优化。ZEMAX软件自动校正的前提是，假定可以定义一个评价函数，它唯一地表征了一个光学系统的成像质量。该评价函数的值越小，光学系统的成像质量就越好；评价函数的值越大，光学系统的成像质量就越差。评价函数定义的越合理，就越能真实地表征光学系统的成像质量。
(1)光学特性参数
= 1 \* GB3 ①孔径：
= 2 \* GB3 ②视场
= 3 \* GB3 ③波长
= 4 \* GB3 ④评价函数
（2）初始结构像质评价报告图
= 1 \* GB3 ①镜头数据
= 2 \* GB3 ②综合误差（Ray）
= 3 \* GB3 ③光程差（Opd）
= 4 \* GB3 ④点列图（Spt）
= 5 \* GB3 ⑤场曲与畸变（Fcd）
= 6 \* GB3 ⑥光学传递函数（Mtf）
= 7 \* GB3 ⑦像点能量分布图（Enc）
系统有较大的像差存在，主要为场曲与畸变，像质不好，需进一步优化。
（3）优化后像质评价报告图
= 1 \* GB3 ①镜头数据
= 2 \* GB3 ②综合误差（Ray）
= 3 \* GB3 ③光程差（Opd）
= 4 \* GB3 ④点列图（Spt）
= 5 \* GB3 ⑤场曲与畸变（Fcd）
= 6 \* GB3 ⑥光学传递函数（Mtf）
= 7 \* GB3 ⑦像点能量分布图（Enc）
（4）、优化后的结构参数为：
玻璃牌号
—
第四章 像差分析：
优化前的像差都比较大，成像质量不理想，所以需要对系统进行优化。一般来说，系统中的每一个结构参数都可以作为优化变量参与优化，这里采用最普遍的曲率半径的优化。经优化后的透镜结构像差容限
1）球差公差
式中取550nm，经计算知所得求得的球差符合设计要求。
2）彗差公差
小视场光学系统的彗差通常用相对彗差来表示，其公差值根据经验取
色差公差
通常取：
经检验像差数据符合设计要求。
心得体会：
通过这次课程设计，让我们对所学的光学知识有了进一步的认识，了解了光学系统设计的基本步骤，学习了一款新的光学设计软件——ZEMAX，并自己动手设计出了双胶合透镜的镜片。刚开始，我们对设计的总体思路都没有一个大概的印象，于是到图书馆和上网查阅资料，看了以前上试验课时的PPT和一些资料，才对要使用的软件有大致的了解，更难得是安装的ZEMAX 是全英文的，一些子菜单的意思都不是很明白，只有对着以前的设计课题，慢慢的探索和练习。之后再是对我们课题进行慢慢的细细研究，终于有了点思路，即先分析设计的要求，按PW方法求出其初始结构，ZEMAX系统软件提供了一个自动优化功能，我们可在人为设计完成后进行自动优化，在把优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。在设计过程中，我遇到了不少的问题，并在探讨和尝试中逐步解决。D光的边缘带球差校正比较理想，F线和C线的球差曲线很难相交在0.707带，两块玻璃的折射率相差不是很大，在调试过程中很难达到理想状态，只好通过调整曲率半径来满足要求。调制传递函数基本符合要求，但也不是很理想，应加以改进。虽然设计成果很不令人满意，但是，在此过程中我明白了光学设计这一学科学习的关键之处，就是不断地尝试，不断地纠正，没有最正确的答案，只有更好的不断改进的结果，这是我在此课设过程中感悟到的最深刻的理解，相信这对我今后的学习生活会有很大帮助。
最后感谢王志斌老师在课设过程中给予我的悉心指导与帮助，使我能够成功的完成本次课设！
参考文献：
1、刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，第75页到第90页、第244页到259页。
2、《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京，第48页，第64页。
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电气工程学院课程设计评审意见表
指导教师评语：
认真 正确完善 完善
较为合理 合理
工作态度 较认真 理论分析 一般 软件设计 一般
不认真 较差 较差
平时成绩： 指导教师签字：
年 月 日
图面及其它成绩：
答辩小组评语：
清晰 正确
基本掌握 优化设计 基本正确
原理 了解 不正确
不清楚
答辩成绩： 组长签字：
年 月 日
课程设计综合成绩：
答辩小组成员签字：
年 月 日
