双高斯物镜的设计

燕山大学课程设计说明书双高斯物镜的ZENAX优化设计光学课程设计 目录一、介绍- 3 -二、 用初级像差理论确定初始结构- 4 -三、 用ZEMAX优化- 9 -四、 结论- 16 -五、心得体会- 16 -参考文献- 18 -一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。 图 1 双高斯物镜 由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲，利用薄透镜的弯曲可以校正球差，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。这个半部系统回来了承受无限远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产生的球差及高级量越小。但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。为了平衡，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产生的正像散平衡。于此同时，轴外光线在前表面上的入射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。相反，若将光阑离开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，则轴外光线的入射状态就能大大的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平衡，薄透镜应该向前弯曲，以使球面与光阑同心。这样一来，球差及其高级量就要增加。以上分析表明：进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。解决这对矛盾的方法有三种：第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大。第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的半径加大。第三，在两个半部系统之间引入无焦度的校正板，使它只产生和，实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。2、 用初级像差理论确定初始结构1、 半部系统的规划半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件2、 以厚透镜校正考虑到对高级像散的平衡，取。按相对孔径需要选。玻璃可取BaF7和ZK8的组合。由式子 可得 3、 加无光焦度双薄透镜校正取（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。（1） 求。 （2） 求个面曲率半径 由式子， 及式子 可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为： 4、 求校正的孔径光阑位置根据校正的要求，有 令，则 由以上各式可得 从上述计算可知，由于透镜合成后球差系数，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说只有一个根。5、 厚透镜中加入消位置色差系数的胶合面为了使得引入胶合面后，所以取胶合面初级位置色差系数 由此可得 而第一近轴光线在胶合面上的入射高度 胶合面入射角 为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式 的胶合面曲率半径 6、 半部系统焦距确定半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式 知，当时，。实际上系统间不可能等于零，计算表明，当半部系统的焦距等于1，取合成以后的焦距大约等于0.8。现设计要求的合成焦距为58毫米。所以半部系统的焦距 7、 半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成首先将规化半部系统结构参数乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜加上必要厚度。半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成一个完全对称系统。其全部结构参数如下：表1 双高斯物镜的结构参数 主要技术指标 结构面号/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、 象差计算已知物体在无限远，则视场半角的正切式中为底片对角线的一半。入射光瞳半径为，已知相对孔径，则有 按进行光路计算，求得象方孔径角总焦距拉赫不变量初级象差系数初级象差3、 用ZEMAX优化1、 建立新镜头，录入初始结构参数。(1) 光源参数1）首先点击，出现以下窗口。如图可知入瞳直径设置为29mm。2） 点击，出现以下窗口，按图设置各项参数3）点击，出现以下窗口，选择F,D,C可见光波段。 (2)镜头数据为： 图3 初始镜头数据2、 像质评价报告图 (1)优化前Ray Fan如图4; Opd Fan 如图5;Spt 如图6;Mtf 如图7;Lay如图8;场曲和畸变如图9： 图4 优化前Ray 图5 优化前Opd 图6 优化前Spt 图7 优化前Mtf 图8 优化前Lay场曲和畸变如图9： 图9 场曲和畸变Fcd 经分析，像质不够好，有待进一步优化。将透镜的曲率半径、厚度、玻璃类型作为优化变量，通过优化曲率半径、厚度、玻璃类型来提高像质。 (2) 优化过程第一次优化前的赛德尔系数根据系数选择如下变量进行优化优化后得到的赛德尔系数为根据上述方法进行第二、三、四次优化，优化变量和优化后赛德尔系数分别如下图所示第二次优化优化后第三次优化第三次优化后第四次优化第四次优化后（3） 优化后结果镜头数据如图10： Ray Fan 如图11： Opd Fan 如图12：Spt如图13：Mtf如图14：Lay 如图15：场曲和畸变如图16： 图10 优化后镜头数据 图11 优化后Ray 图12 优化后Opd 图13 优化后Spt 图14 优化后MTF 图15 优化后Lay 图16 场曲和畸变有上述结果图中发现如下变化：1、 光程差随空间位移的变化并没有激增，说明在一定程度上减小了像差。 2、点列图聚集程度比优化前更好，能量不易分散，有利于成像。 3、优化后，综合像差值基本上很小（贴近坐标轴）（4） 镀膜 镀膜前可以看出镀膜前的透过率在0.63左右镀膜后 镀膜后的透过率达到了0.9以上4、 总结双高斯物镜是一种对称型结构，故可以先从它的半部系统着手，这时只需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全对称合成后，其垂轴色差自动相消。对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数，用选取孔径光阑位置校正像散系数，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数。计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。选取透镜的曲率半径和厚度作为优化变量。调试优化直至各参数满足设计要求。五、心得体会光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。就说论文的编写吧，各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的。通过这次的课程设计，我认识到了学习是始终伴随自己的，从开始的对ZEMAX的一窍不通，到现在能基本用它完成简单光学系统的设计优化。从开始不知道怎么使用VISIO作图，到现在能使用其作出相关的图形。当然，各种软件功能都及其庞大，但是，认识到边学边用后，自己便能在以后的工作和学习生活中更加从容一些。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。我努力做了，虽然不是很完美，但自己也收获了些东西，相信自己会从中受益。学无止境，今后会更加努力。参考文献 1、刘钧、高明光学设计西安电子科技大学出版社西安2006 2、光学仪器设计手册国防科技出版社北京1971 3、光学设计软件ZEMAX 4、张以谟应用光学机械工业出版社北京1982 5、王之江实用光学技术手册机械工业出版城2006 6、光学仪器设计手册国坊工业出版社北京1971电气工程学院课程设计评审意见表指导教师评语：