简单望远物镜设计说明

1、.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：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（专业）班级设计题目简单望远物镜的设计焦距 f 500 mm，相对孔径为 1:10 。设要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。计入瞳位置在物镜上。技术参数计算望远物镜的各个参数；设上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求计要求1、 钧，高明编著， 光学设计 ， 2006，电子科技大学，参2、 光学仪器设计手册 ， 1971，国防科技，北京考3、 光学设计软件 ZEMA

2、X资料应完成容指导教师签字6.20-6.21计算设计双胶合透镜的各个参数6.22-6.23上机进行优化设计，确定最后的设计结构6.28 答辩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.目录第一章设计要求1第二章设计方法和ZEMAX软件 .12.1 设计方法12.2 ZEMAX 软件介绍2第三章设计过程33.1 P 、 W法计算初始结构.33.2 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、

3、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

4、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：一部分称为部参数，是指光组各个折射面的曲率半径 r 、折射面间的

5、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 不仅和部参数有关， 而且也和外部参数有关 , 成为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4A2P 、W 按式PP0WW0 求P0A 12（ 2）由 P0 和 C I 查附录 1

6、 找出需要的玻璃组合，再查附录2, 按所选玻璃组合找出1、 Q0 、 P0、W0。（3）由式 PA QQ02P0和式WK Q Q0 W0求Q：QQ0PP0AQQ02 WW0A1将以上两式求得的 Q 值比较，取其接近的一个值。（ 4）根据 Q 求折射球面的曲率半径1 、2 、 3 。计算公式为：11n11Qr1n11211Qr231n21Q1r3n21n2 1（ 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 f ，则半径和 f 成正比，即得：r1f r21f r32f 3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

7、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

8、 、 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

9、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。在全球围，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：

10、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：L01SI2nk ukK s01S2nk ukl FC01C Ink uk.亦即SIh43 P0SJh22W0CIh212012由此可得像差基本参量为：P0 , W0 ,C I 0（ 3）、求 P0 。由式2PP00.85W0.12PP00.85W0.2可得：P0P0.85W0.1P0P0.85W0.2因为玻璃为选好， 可暂选用冕牌玻

11、璃进行计算。 取 W00.1, 并将 P和 W 的值代入上式，得： P0 00.85 0 0.1 20.0085（ 4）、根据 0 和CI 从附录1查玻璃组合。由于K9玻璃性能好而且熔炼成P本地，因此应优先选用。可选它和ZF2 玻璃组合，当 C I0 时，由附录 1查得 P0 0.038 。从附录 2查得 K9（ n1 1.5163 ）和 ZF 2（ n21.6725 ）组合的双胶合薄透镜组的各系数为：P00.038319 , Q04.284074 , W00.060991 2.009404 , 并取 A=2.44.K=1.72（ 5）、求形状系数 Q ：QQ0PP0AQQ0WW0K由于 PP

12、0 ，不存在严格的消像差解，但因P0 值接近于 P，可认为PP00，因此可得 Q Q04.284074 ， WW00.06099。A（ 6）、求透镜各面的曲率（规划条件下的） ：.123.Qn111.51632.0094041.61726n110.42840741.5163 1Q12.27467Qn2111292.486n21n2 1（ 7）、求薄透镜各面的球面半径：f 500309.165r11 1.61726f 500219.812r22 2.27467f 500646.243r331292.486现将该透镜系统结构数据整理如下：tan0.02 ，物距 L, 入瞳半径 h25，入瞳距第一折

13、射面距离 l z 0rd玻璃牌号r1309.165r2219.812d10K9r3646.243d20ZF2（ 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：光学零件外径的确定。根据设计要求f 500和 D1 ，可算出通f 10f 50050 。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得 2.5 ，光口径 D10 10由此可得透镜的外径为 52.5 。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 3d 7t D中精度 6d 14t D其中还

14、必须满足 d 0.05D.对凹透镜：高精度 8d2tD 且 d0.05D中精度 16d4tD 且 d0.03D式中， d 为中心厚度， t 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： 3d7tDtD3 x1x210式中 x1 、 x2 为球面矢高，可由下式求得D2xrr 22式中 r 为折射球面半径， D 为透镜半径。图（ 1）双胶合透镜将已知数据代入可求得x11.12， x21.57然后，再将它带入式 tD3 x1x2的凸透镜最小边 缘厚度：10tD3 x1x250.7 32.514.431010凸透镜最小中心厚度：d1x1tx22.514.327

15、.133凹透镜：tD8 x28 x110D2x3 的求法同上，将已知数代入式x rr 2得 x3 0.53。然2后，再将它代入式 tD 8 x28 x1 便可求得凹透镜最小边缘厚度：105.811.470.503.378d2tx2x3在保持 u 和 u 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 u 和 u 角 不 变 ， 由 式2Puu 和式 WPuu 可知当 u 和 u 不变时， P 、W 在变1nni1nnn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

16、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) 光学特性参数孔径：视场.波长评价函数（ 2）初始结构像质评价报告图镜头数据.综合误差（ Ray）光程差（ Opd）.点列图（ Spt ）场曲与畸变（ Fcd）.光学传递函数（ Mtf ）像点能量分布图（

17、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镜头数据综合误差（ Ray）.光程差（ Opd）点列图（ Spt ）.场曲与畸变（ Fcd）光学传递函数（ Mtf ）.像点能量分布图（ Enc）（ 4）、优化后的结构参数为：rd玻璃牌号r1317.590054r2217.839373d27.133K 9r3613.461285d33.378ZF 2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

18、容限1 ）球差公差L0.70762n sin um.L m2nsin um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SC 来表示，其公差值根据经验取SC0.00253）色差公差通常取：LFCn sin2 um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，