光学设计报告

光学设计课程报告 班级： 学号： 姓名： 日期：目录一、 双胶合望远物镜的设计02二、 摄远物镜的设计12三、 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合20四、 艾尔弗目镜的设计30五、 低倍消色差物镜的设计38六、 无限筒长的高倍显微物镜的设计47七、 双高斯照相物镜的设计52八、 反摄远物镜的设计62九、 课程总结70一、 双胶合望远物镜的设计1、设计指标：设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率：；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：；物镜焦距：；棱镜折射率：n=1.5163(K9)；棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。2、初始结构计算(1)求根据光学特性的要求： (2)计算平行玻璃板的像差和数平行玻璃板入射光束的有关参数为平行玻璃板本身的参数为 d=31mm； n=1.5163； 带入平行玻璃板的初级像差公式可得：(3)根据整个系统的要求，求出系统的像差和数，：为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差为：，S=-0.001517 S=-0.001296 SC=-0.000380 (4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜的由于所以双胶合物镜的像差和数为 (5)列出初级像差方程求P，W，CP=-0.000115 W=-0.00303 C=-0.000008108 (6)由P，W，C求由于h=7.4，f=85，因此有h=hf=7.485=0.0871进而可得：C=-0.0007 由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：C=-0.0007 将带入公式求P0=-0.431 C=-0.0007 根据C=-0.0007，P0=-0.431查找玻璃组合。最后选择K10-ZF3。其参数为：K10： nD=1.5181 =58.9ZF3： nD=1.7172 =29.5(7)求透镜组半径1=2.045 2=1-1=-1.045 Q=-4.11 1r2=-2.065 1r1=1.882 1r3=-0.607945 r1=0.53r2=0.48 r3=1.64 以上半径对应焦距等于1，将它们乘以焦距f=85,得到最后要求的半径为r1=45.05 r2=-40.8 r3=-139.82 (8).确定透镜厚度透镜厚度除了和球面半径和透镜直径有关外，同是要考虑到透镜的固定方法，质量要求，加工难易等因素，参考光学设计手册中的规定，我们取d1=4，d2=2。这样，双胶合物镜的全部结构参数为 r d Glass r1=45.05 4 K10r2=-40.8 2 ZF3r3=-139.82 至此，双胶合望远物镜的初级像差求解全部完成了，物镜系统的全部结构参数如下： r d n 0(光阑) 35 1 45.05 4 1.5181(K10)-40.8 2 1.7172 (ZF3)-139.82 40 10 31 1.5163(K9)3、zmax初始结构输入将数据输入zmax后，输入结果如图 系统二维结构图 系统二维点列图 初始光线扇形图初始结构的光学特性参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop周视1.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 91.45704 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 91.45704 (在像空间)Back Focal Length : 27.66368统计轨迹 : 139.6637图像空间F/# : 6.17953离轴工作面F/# : 6.17953工作面F/# : 6.184464Image Space NA : 0.08064874物空间 NA : 7.4e-010光阑半径 : 7.4离轴像高 : 8.001454近轴放大率 : 0入瞳直径 : 14.8入瞳区域 : 0入瞳直径 : 24.19548入瞳直径区域 : -149.5167Field Type : Angle in degrees最大视场 : 5主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : 0.6116845Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000004、zmax优化 优化过程中采用EFFL评价函数来控制透镜焦距，将双胶合物镜的半径作为自变量。优化后最终结果如下所示：优化后的系统参数 系统二维图 系统点列图 系统光线扇形图 优化后系统光学参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop周视1.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 85.05519 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 85.05519 (在像空间)Back Focal Length : 23.43016统计轨迹 : 135.4302图像空间F/# : 5.746973离轴工作面F/# : 5.746973工作面F/# : 5.769676Image Space NA : 0.08667491物空间 NA : 7.4e-010光阑半径 : 7.4离轴像高 : 7.441365近轴放大率 : 0入瞳直径 : 14.8入瞳区域 : 0入瞳直径 : 26.58762入瞳直径区域 : -152.7983Field Type : Angle in degrees最大视场 : 5主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : 0.55665Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000通过对于点列图等其他报告的比较，可以看出系统的像差有了极大的改善，达到了系统所要求的像差范围。二、摄远物镜设计1、设计要求 焦距f=320mm,通光口径D=60mm,视场2=1，像距54mmr d 246.55 13 1.5467 1.55282 1.54411(BAK3) -92.65 5 1.755 1.77475 1.74732(ZF6) -374.29 0.5 1 1 1 89.03 8 1.613 1.62012 1.6100(ZK7) 601.6 93.53 1 1 1 52.4 4 1.6259 1.63733 1.62132(BAF8) -15.3 1.5 1.614 1.62187 1.61073(ZK8) 14.46 1 1 1(1)输入摄远物镜的半径、厚度和玻璃材料；(2)输入光学特性参数：入瞳口径、视场角和三种波长；(3)确定孔径光阑位置，光阑与第一面重合；(4)将像距设定为理想像距；(5)画二维或三维图，观察是否正确；(6)对像质进行评价，计算扇形像差、点列图、波像差和MTF;(7)将所有半径（光阑面除外）和厚度间隔设为变量；(8)建立评价函数，反复进行优化；(9)评价成像质量2、zmax初始结构 系统参数 系统二维图 点列图 扇形像差 系统的MTF系统的结构参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop桌面zmax光学LEN1.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 60Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 332.8009 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 332.8009 (在像空间)Back Focal Length : 57.84713统计轨迹 : 183.3771图像空间F/# : 5.546682离轴工作面F/# : 5.546682工作面F/# : 5.567151Image Space NA : 0.08977994物空间 NA : 3e-009光阑半径 : 30离轴像高 : 2.90431近轴放大率 : 0入瞳直径 : 60入瞳区域 : 0入瞳直径 : 15.06316入瞳直径区域 : -83.55057Field Type : Angle in degrees最大视场 : 0.5主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : 3.983228Fields : 4Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.100000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系统优化 优化后的系统结构参数 优化后的二维结构图 优化后的点列图 优化后的扇形像差 优化后的MTF系统的结构参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop22.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 60Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 320.0284 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 320.0284 (在像空间)Back Focal Length : 162.9745统计轨迹 : 290.6838图像空间F/# : 5.333807离轴工作面F/# : 5.333807工作面F/# : 5.337905Image Space NA : 0.09333249物空间 NA : 3e-009光阑半径 : 30离轴像高 : 2.792846近轴放大率 : 0入瞳直径 : 60入瞳区域 : 0入瞳直径 : 46.87756入瞳直径区域 : -250.0358Field Type : Angle in degrees最大视场 : 0.5主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : 1.27993Fields : 4Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.100000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000由上面可以看出，经过对系统的结构进行优化，系统的焦距达到了预期，并且成像质量也得到了很大的改善，系统的像差得到了极大的优化，通过观察点列图和MTF函数可以看出成像质量达到了预期。三、 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合1、设计要求设计并优化对称式目镜；将反向设计的对称式目镜反转并且与物镜配合，组成望远系统；R D GLASS76.64 1.5 AIR24.6 7.5 F3-30.62 0.1 K930.62 7.5 AIR-24.6 1.5 K9-76.64 166.7713 F30 -166.7713 AIR 由于要与之前设计的双胶合物镜配合，可知目镜有如下系统要求：焦距出瞳大于等于20mm像方视场角确定反向光路里面光阑的位置通过读取双胶合物镜的系统参数，可以知道物镜的出瞳距离（物镜成像面到出瞳面的距离）为-152.7983，所以反向光路里面的光阑的位置=152.7983+22.973-9=166.77132、zmax初始结构 系统初始结构数据系统二维结构图扇形像差点列图系统特性参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop对称式目镜.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 7系统光圈 : 入瞳直径 = 4Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 25.11461 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 25.11461 (在像空间)Back Focal Length : 18.99954统计轨迹 : 184.8713图像空间F/# : 6.278652离轴工作面F/# : 6.278652工作面F/# : 6.276984Image Space NA : 0.07938361物空间 NA : 2e-010光阑半径 : -11.76779离轴像高 : 8.160231近轴放大率 : 0入瞳直径 : 4入瞳区域 : -23.26791入瞳直径 : 23.53559入瞳直径区域 : 147.7718Field Type : Angle in degrees最大视场 : 18主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : -0.1699554Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 3.000000 1.000000 3 0.000000 6.000000 1.000000 4 0.000000 9.000000 1.000000 5 0.000000 14.000000 1.000000 6 0.000000 18.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: 祄# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系统优化由系统参数看出系统的焦距不满足条件，需要优化。采用EFFL ，所有半径均为自变量。对称的半径用P标记跟随。评价函数如下：优化后的系统的二维结构图优化后的扇形像差优化后的点列图通过点列图和扇形像差图可以看出，系统的像差已经满足系统的设计要求。3、目镜与物镜的配合组合后的系统参数组合后的系统的二维结构图组合后的点列图组合后的系统的扇形像差组合系统的MTF组合系统的系统参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop组合后.ZMXTitle: Date : THU JAN 15 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 15Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : -85.03861 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : -85.03861 (在像空间)Back Focal Length : 42.0431统计轨迹 : 212.1278图像空间F/# : 5.745852离轴工作面F/# : 5.745852工作面F/# : 5.787065Image Space NA : 0.08669168物空间 NA : 7.4e-010光阑半径 : 7.4离轴像高 : 7.439914近轴放大率 : 0入瞳直径 : 14.8入瞳区域 : 0入瞳直径 : 3.831852入瞳直径区域 : -22.01725Field Type : Angle in degrees最大视场 : 5主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : -3.862362Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000从点列图和扇形图可以看出，组合系统的成像质量还是很好的，符合系统的设计要求。从特性参数可以看出，出瞳直径为: -22.01725，满足系统的出瞳大于20的要求，满足设计要求四、 艾尔弗目镜的设计1.设计要求：设计一个艾尔弗目镜，焦距25mm，半视场25，出瞳直径3.8mm，出瞳距离18mm，初始结构如下：r d 玻璃材料174.91 AIR34.79 3 F4-29.67 14 K972.03 0.25 AIR -72.03 7.8 K932.27 0.25 AIR-32.27 15.3 K956.77 1.7 F40 AIR2.zmax初始结构初始结构输入初始结构的二维图形输出初始结构的点列图初始结构的扇形像差初始结构的系统参数System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop艾尔弗.ZMXTitle: Date : THU JAN 15 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 10Stop : 1系统光圈 : 入瞳直径 = 3.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦点长度 : 25.30269 (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : 25.30269 (在像空间)Back Focal Length : 16.42645统计轨迹 : 76.72645图像空间F/# : 6.658604离轴工作面F/# : 6.658604工作面F/# : 6.663005Image Space NA : 0.07488物空间 NA : 1.9e-010光阑半径 : 1.9离轴像高 : 11.79884近轴放大率 : 0入瞳直径 : 3.8入瞳区域 : 0入瞳直径 : 10.56567入瞳直径区域 : 70.35262Field Type : Angle in degrees最大视场 : 25主光波长 : 0.5875618镜头单位 : 毫米角度放大率 : -0.3596553Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 5.000000 1.000000 3 0.000000 10.000000 1.000000 4 0.000000 15.000000 1.000000 5 0.0