双高斯物镜的设计

双高斯物镜的双高斯物镜的 ZENAXZENAX 优化设计优化设计 光学课程设计 精品文档 1 欢迎下载 目录目录 一 介绍一 介绍 3 3 二 二 用初级像差理论确定初始结构用初级像差理论确定初始结构 4 4 三 三 用用 ZEMAXZEMAX 优化优化 9 9 四 四 结论结论 1616 五 心得体会五 心得体会 1616 参考文献参考文献 1818 精品文档 2 欢迎下载 一 介绍一 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 S 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 S S 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 C 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 S 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 S 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 精品文档 3 欢迎下载 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 S 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 S 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 S 2 2 用初级像差理论确定初始结构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 101 111 huuz 2 以厚透镜校正 S 考虑到对高级像散的平衡 取 按相对孔径需要选07 0 S 玻璃可取 BaF7 和 ZK815 0 d 的组合 由式子 b d nSn a n nS n c cc c cc 1 2 21 21 1 1 可得 549 5729 5 766026 31184006 0 21 cc ba 3 加无光焦度双薄透镜校正 S 取 实践表明取值在 1 2 到 1 5 之间为好 3 1 ba 精品文档 4 欢迎下载 1 求 c Su 2 52 17311 719 2 1 2 222 3 2 2 1 2 1 uunduu n S nr n u n c 2 求个面曲率半径 由式子 1 12 21 n b bb cb aaa aaa 22 11 及式子 2 4 1 3 2 2 1 1 1 1 1 1 a a b c r r r r 可求得半部系统焦距规化为 1 时各面的曲率半径分别为 4143 0 3721 3 2917 0 1745 0 4 3 2 1 r r r r 4 求校正的孔径光阑位置 S 根据校正的要求 有 S 0 c SSSS ba 令 则Alh zz 11 n d Ahh n u i di nh Aii Ai z z cz 22 2 2 2 2 22 11 1 1 1 1 1 精品文档 5 欢迎下载 由以上各式可得 0869 0 z lA 从上述计算可知 由于透镜合成后球差系数 所得方cba 0 S 程的二次项系数一定为零 也就是说只有一个根 A 5 厚透镜中加入消位置色差系数的胶合面 C 为了使得引入胶合面后 所以取胶合面初级位置色差系数0 5 1 C 0221 0 4 1 C n dn n nd luniC 由此可得 0026 0 n dn n nd 而第一近轴光线在胶合面上的入射高度 0610 1 21122 udhul 胶合面入射角 9586 4 22 4 1 n dn n nd nul C i 为求胶合面的曲率半径 用近轴光光路计算公式 u r rl i 的胶合面曲率半径 3818 0 r 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 2121 d 时 实际上系统间不可能等于零 计算表明 21 2 20 则dd 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 5 72 8 0 2 f f 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dr 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ba 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 精品文档 6 欢迎下载 主要技术指标 结构 mmD mmf f D 29 402 58 2 1 面号 mmr mmd n玻璃 130 0354 2244 47434 851 6140ZK8 321 15170 3 4 27 67858 8451 6140ZK8 512 65522 031 6140BaF7 6 12 655212 599 727 67852 031 6140BaF7 8 21 15178 8451 6140ZK8 9 244 47430 3 10 30 03544 851 6140ZK8 精品文档 7 欢迎下载 8 象差计算 已知物体在无限远 则视场半角的正切 L 3729 0 tan f y 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 y h 2 1 f D 有 5 14 42 fD h 按进行光路计算 求得象方孔径角 21 5 14 hL 2507 0 k u 总焦距 8309 57 f 拉赫不变量 4075 5 tan 11 hnJ 初级象差系数 07479 0 S 09736 0 S 06245 0 S 01929 0 S 精品文档 8 欢迎下载 31357 0 S 004304 0 C 003771 0 C 初级象差 009002 0 2 594893 0 2 1 2 1 j S SC un S L k K kk k k 015040 0 068463 0 153421 0 2 194152 0 2 582457 0 2 3 1 2 1 2 1 1 1 kk k FCk kk k FCk kk k zk kk k sk kk k Tk un C Y un C L un S y un S K un S K 精品文档 9 欢迎下载 3 3 用用 ZEMAXZEMAX 优优化化 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 精品文档 10 欢迎下载 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 精品文档 11 欢迎下载 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 精品文档 12 欢迎下载 图 4 优化前 Ray 精品文档 13 欢迎下载 图 5 优化前 Opd 精品文档 14 欢迎下载 图 6 优化前 Spt 图 7 优化前 Mtf 精品文档 15 欢迎下载 图 8 优化前 Lay 场曲和畸变如图 9 精品文档 16 欢迎下载 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 精品文档 17 欢迎下载 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 精品文档 18 欢迎下载 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 精品文档 19 欢迎下载 第三次优化 第三次优化后 精品文档 20 欢迎下载 第四次优化 第四次优化后 精品文档 21 欢迎下载 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 精品文档 22 欢迎下载 图 10 优化后镜头数据 图 11 优化后 Ray 精品文档 23 欢迎下载 图 12 优化后 Opd 精品文档 24 欢迎下载 图 13 优化后 Spt 精品文档 25 欢迎下载 图 14 优化后 MTF 精品文档 26 欢迎下载 图 15 优化后 Lay 精品文档 27 欢迎下载 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 精品文档 28 欢迎下载 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 精品文档 29 欢迎下载 4 4 总结总结 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 S S 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 S 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 C 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 精品文档 30 欢迎下载 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 精品文档 31 欢迎下载 电气工程学院课程设计评审意见表电气工程学院课程设计评审意见表 精品文档 32 欢迎下载 指导教师评语