光学设计实验(一)望远镜系统设计实验

光学设计实验(1)望远镜系统设计实验实验的目的(1)通过设计性实验，加深对所学几何光学、像差理论和光学设计的基础知识和一般方法的理解，并能初步运用。(2)介绍ZEMAX在光学设计中的基本用法。设计实验由ZEMAX实现。2设计要求(1)设计一个8倍开普勒望远镜目镜，焦距f=25毫米，出瞳直径D=4毫米，出瞳距离22毫米，视场角2w=25；考虑到用物镜进行像差补偿，目镜承担离轴像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。(总分：30分)(2)设计一个8折开普勒望远镜物镜。其焦距、相对孔径、视场角和像差补偿要求根据设计(1)的要求确定，并要求计算过程。(总分：30分)(3)将物镜和目镜组合成开普勒望远镜要求望远镜的光束角像差约为3。如果不满足要求，可以通过控制视觉放大率和组合焦距到无穷大(例如f100000)等，在ZEMAX中与傍轴理想光学表面组合。(总分：30分)(4)回答并分析设计中的相关问题(总分：10分)可见光(f、d、c)波段用于所有设计。问题1:望远镜光学系统和开普勒望远镜的特点问题2:目镜的光学特性和像差特性问题3:什么是常用目镜？常用的折射望远镜物镜是什么？问题4:望远镜系统需要校正的主要像差是什么？注意：目镜设计有反向光路。目镜包括一个视场光阑。注意目镜孔径光阑的设置。确定出射光束角度像差大约小于3的方法是：在图像前面插入一个傍轴型表面。如果表面的焦距(即，表面和图像表面之间的距离)为1000毫米，则点图的地理半径应小于1毫米。3设计过程所谓光学系统设计，就是根据使用要求确定满足使用要求的各种数据，即确定光学系统各光学组的性能参数、外部尺寸和结构。因此，我们可以将光学设计过程分为四个阶段：总体尺寸的计算、初始结构的计算和选择、像差校正和平衡以及图像质量评估。1)总尺寸的计算在此阶段，应设计并绘制光学系统的示意图，并确定基本光学特性以满足给定的技术要求，即放大率或焦距、线性视场或角度视场、数值孔径或相对孔径、共轭距离、后向工作距离、光阑位置等。一般来说，总尺寸是根据理想光学系统的理论和计算公式来计算的。计算中必须考虑机械结构和电气系统，以防止在机械结构中无法实现。每种性能的确定必须合理。过高的要求会使设计结果复杂化并造成浪费。要求太低会使设计不符合要求。因此，必须谨慎采取这一步骤。在这个实验中，已经基本确定了总尺寸，并且只需要计算所有需要的总尺寸参数。2)初始结构的计算和选择以下两种方法通常用于确定初始结构：1.根据主像差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法是利用初级像差理论，根据从外部尺寸计算的基本特性，求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统每个光学部分的曲率半径、透镜厚度和间距、玻璃折射率和色散。通过使用初级像差理论求解的初始结构不仅对于具有小孔径和小视场的光学系统非常有效，而且对于比任意选择的结构更复杂的光学系统更容易接近期望的解决方案，使得设计容易成功。这是因为在解决的过程中，对于大视场、大口径、结构复杂的光学系统，如广角物镜和大口径摄影物镜，从现有的技术资料和专利文献中，一般选择光学特性接近要求的结构作为初始结构。这是获得成功的一个实用而简单的方法。因此，它被光学设计者广泛使用。然而，设计师需要对光学设计理论有深刻的理解，并有丰富的设计经验。只有这样，才能从各种各样的结构中选择出简单而令人满意的初始结构。初始结构的选择是透镜设计的基础。选择是否恰当关系到未来设计的成功。一个糟糕的初始结构，不管自动设计程序和有经验的设计者有多好，都不能被成功设计。这也是这个实验最重要的一点。两种方法都可以选择。第一种方法可以用来选择相关的书籍(例如，由电子工业出版社出版并由张以谟编辑的应用光学)，以学习如何获得具有初级像差的光学系统的初始结构。使用方法2，可以在相关的光学设计手册中找到合适的初始结构(例如，北京理工大学出版社出版的光学设计手册，李时宪和郑乐年编辑)。3)像差校正和平衡选择初始结构后，应在电子计算机上进行光路计算(本实验中使用Zemax)，或使用像差自动校正程序进行像差自动校正。然后，根据计算结构绘制像差曲线，分析像差以找出原因，并重复像差校正和平衡，直到满足成像质量要求。4)图像质量评估在设计过程中，光学系统的成像质量可以通过离轴像差特性曲线来估计。推荐相关参考书：实用光学设计方法与现代光学系统张余道银机械工业出版社现代光学设计方法元南京理工大学徐仓4 Zemax的基本用法在这个实验中使用Zemax主要包括以下内容：1)编辑镜头数据打开Zemax软件后，可以看到如图1所示的界面。镜头数据编辑器是一个镜头数据编辑器，它是一个主要的电子表格。镜头数据是通过填充镜头的主数据而形成的。这些数据包括系统中每个表面的曲率半径、厚度、玻璃材料和孔径大小。单透镜由两面组成(正面和背面)。物体平面和图像平面都需要一个面。这些数据可以直接输入到电子表格中。当镜头数据编辑器显示在显示屏上时，光标可以移动到需要改变的地方，所需的值可以从键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具有不同特征的数据，每一行代表一个光学表面(或光阑)。在初始状态下(除非给出透镜)，通常显示三个平面：物平面、孔径光阑平面和像平面。(对于使用的镜头的各种参数的解决方案，选择是根据个人的设计需要。通常使用V和P。如果未设置，该参数为固定值。详细用法请参考相关书籍和教程。在这个实验设计中，最后一个平面(不包括图像平面)的D值，即厚度解的类型，被设置为边缘光线高度。)注意光圈的设置图12)编辑评估功能在编辑器下拉菜单中选择价值函数，打开评估函数编辑器，如下图2所示。评估函数编辑器用于定义、修改和检查系统的评估函数。评估函数用于根据各种边界条件(包括各种像差、焦距等)优化光学系统。)。例如，如果我们需要100毫米的有效焦距，焦距可以在评估函数中使用名为EFFL的操作数来定义。评估函数编辑器中的操作数也可以直接选择进行编辑或增加或减少。根据要求，根据像差容差(像差容差)计算各种像差的指标，通过评价函数中的操作数实现物差的限制。例如，在这个实验中，目镜负责校正离轴像差，而物镜负责校正离轴像差选择系统下拉菜单中的通用选项，弹出如图3所示的界面。有几种方法可以设置系统光圈(包括光圈、光圈等。)。本实验设计中选择的光圈类型为入瞳直径。图3选择系统下拉菜单中的字段选项，弹出如图4所示的界面，可以设置不同的视场。作为一个小视场光学系统，该实验设计要求在绘制相位差曲线时，至少要计算出边缘光、波段光和傍轴光三种光线。因此，在设置视场时，应至少设置三条光线。注意三种设计各自的视角。图4选择系统下拉菜单中的字段选项，弹出如图5所示的界面，可以设置系统通过的光的波长。实验望远镜系统在可见光范围内，所以选择(f，d，c)波长。这里可以直接选择常用波段。图54)优化系统选择工具-优化-优化，弹出如图6所示界面，可根据编写的评估函数和系统结构函数的变量进行优化。图65)实验中绘制的图形和相关图像质量的评价可以在分析菜单中实现。5设计报告5.1实验报告内容要求每个设计应依次包括以下数据：本设计的设计要求(焦距、入瞳直径、视场角、放大率、相对孔径等)。)，以及要计算的计算过程镜头布局图l每个设计结果透镜的结构参数、视场、孔径和其他光学特性参数；(可选提交方法：使用菜单：报告-规定数据-设置-不选择表面细节，多配置数据，求解/变量，全局顶点，元素体积，另存为txt文本文件，编辑和删除不必要的文本，然后复制。)图像质量指数图，包括光线像差，球面像差，场曲率和畸变，斑点图。对设计中相关问题和原