光学设计论文

1、燕山大学课程设计一、摘要制版物镜在印刷工业中用于分色照相制版。它比普通照相物镜具有更清晰的分辨率，并要求彩色不失真、变形小，能够真实准确地反映原画稿的面貌。制版物镜往往用来制作大画幅的版面，这样，一方面要求物镜的焦距尽可能长，有的甚至长达1200mm；另一方面又要求尽可能增大视场角，一般在40以上。但由于被摄体是固定的画稿，照明条件可以坚强，曝光时间也可以适当延长。因此，相对孔径不必很大，一般为1:91:5.6。确定相对孔径还有一个因素，制版物镜的接收器是照相底片，为了表现画面的层次，须在照相底片前放置一个网格板，网格板的网格是等间隔的，大约为610/mm。由于感光程度不同，网格板将像面分割成

2、大小不同的点，用来表现画面的层次和对比。网格板放在光学系统的焦深范围内才不致发生衍射。而光学系统的焦深为：可以看出，焦深与相对孔径的平方成反比。也就是说，相对孔径小些，焦深才能大，才有可能把网格板包括在焦深范围内。因此制版物镜的相对孔径不宜太大。但是，相对孔径也不宜太小。相对孔径太小，受衍射限制的极限分辨率（截止频率）低，使画稿上原有的细微层次分辨不开。制版物镜的使用，不但要求能够按照画稿的尺寸进行复制，而且还要求能够放大或缩小。因此在选择结构形式时，要考虑像差不致因物象倍率的改变而发生很大变化，即要求选择光阑球差小的结构形式。分色照相制版要求各种颜色版面的清晰度均要好，色彩逼真，而且大小一致

3、。因此，制版物镜在色差校正方面，不但要求两种颜色消色差，而且要求其他颜色的偏离量二级光谱尽量小。我们把减小二级光谱成为复消色差。制版物镜焦距很长，二级光谱很大，成为影响成像质量的主要像差。因此在制版物镜的设计中，要对二级光谱进行校正。光学系统的畸变并不影响成像的清晰度，但是画面变形，用于照相制版，会丧失原画稿的面貌，产生失真。如用于印刷精密地图则更不允许。因此要求制版物镜的畸变越小越好，一般不应超过0.05%。制版物镜与普通照相物镜不同之处在于它的使用倍率为1倍的物镜，对称性结构是校正慧差、畸变和倍率色差三种垂轴像差最理想的结构形式。这三种垂轴像差因结构对称而自动消除。因此，对其半部只要校正球

4、差、像散、场曲、位置色差和二级光谱等轴向像差即可。为校正场曲，必须使正负光焦度分离，或者引入等价于正负光焦度分离的厚透镜，满足球差和像散与透镜弯曲有关。而像散还与光阑位置有关。当半部自行消位置色差和消二级光谱，并合成为对称系统时，自然也消位置色差和消二级光谱。基于上述分析，制版物镜的结构形式应采用对称型，对称型的半部自行消色差和复消色差，而且应该正负光焦度分离或引进厚透镜。制版物镜不但在-1倍位置使用，而且还用来放大或缩小，这就要求结构形式的光阑球差小，不致因物像倍率的改变而引起像差的急剧变化。因此选择Qrthometar型作为制版物镜的基本结构形式。二、设计步骤（一）用PW法求解初始结构的参

5、数 1玻璃材料的确定。 第一透镜选用LaK1玻璃，第二透镜选用TF3,第三透镜选用ZF3 2初始结构参数的确定 （1）求薄透镜各面的球面半径 在半部归化条件下，光焦度的分配满足消色差和复消色差的公式为 （1-1） 假如第一和第二透镜相贴合，而第三透镜与其分离，如下图所示。 在归化条件下，即，则公式1-1简化为 (1-2)式中已知三种玻璃的、，把作为自变量，就可以满足三个光焦度的要求。而的选择则受制于petzal的要求，当时，此时，1.82977，而第二透镜与第三透镜的距离为 （1-3）此时假定光阑位置在第一面上，令则 而 满足校正差和像散的要求，求解半部的初始结构 （1-4）而、是弯曲Q的函数

6、 （1-4a） (1-4b)对于第一透镜，入射光线与光轴平行，=0,式（1-4a）简化为 （1-4c）第二透镜与第一透镜相贴合，则 ( 1-5a)第三透镜与第二透镜分离，则 （1-5b）在式（1-3）中，首先令=0，求得由于第二和第三两个透镜厚透镜化之后，胶合或贴合在一起，所以令第二透镜的后一面半径与第三透镜的前一面半径相等，求得将和带入式（1-3）和式（1-4a）中，令时，求得每个透镜的曲率半径可用下式求得 （1-6）这样，就可求得半部系统当焦距=1时的初始结构参数: （2）求厚透镜各面的球面半径为了计算方便，在光学系统初始计算时，往往把透镜看成是没有厚度的薄透镜，如上所示。但是，任何实际透

7、镜总有一定的厚度。因此，光学系统初始计算得到结果以后，必定要把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下：1. 光学零件外径的确定。根据设计要求可算出通光口径。透镜用压圈固定，其所需余量有手册查得，由此可求得透镜的外径。2、光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。 为了使透镜在加工过程中不易变形，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 中精度 其中还必须满足对凹透镜：高精度 且中精度 且式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。根据上面公式，取高精度可求出凸透镜和凹透镜的厚度。凸透镜： 式中、为球面矢高，可由下式求得：式中r为折射球面半径，D为透镜外径。凸透镜最小中心厚度为

8、 同理可得：凹透镜： 凹透镜最小中心厚度: 根据设计要求焦距，相对孔径，视场角，基准倍率可得厚透镜的初始结构参数 （二）像差估计（1）ZEMAX基本操作 建立新镜头进入ZEMAX软件，出现主窗口，点击“文件”下拉菜单的“新建”选项，显示如下： 选择孔径类型 在Gen中选择孔径类型，然后再将孔径值中输入 输入视场角 在Fie中选择Angle，分别输入0、0.7和最大视场，角度为半视场的角度设置波长、权重因子和主波长 点击Wav出现下图中界面，再点击“Select”完成选择。设置评价函数 评价函数表示一个光学系统如何接近一组指定目标的一种数值表示。在编辑中悬着“Merit Fuction”，点击“

9、Tool”菜单中的“Default Merit Fuction”选择所需的优化类型，即可得到默认的评价函数 (2) 初步像差估计 将初步结构参数输入ZEMAX中，得到镜头数据编辑表 然后通过ZEMAX分别得到结构图，像差曲线，点列图和系统传递函数 结构图：像差曲线：点列图：系统传递函数：（3）像差优化1、设定默认优化函数选择工具栏Editors Merit Function Tools Default Merit Function，在该选项框中选择RMS, Spot Radius, Centroid, 其它项默认即可，选择OK。为避免焦距变化过大，将其确定为初始值2、优化过程查看工具栏Anal

10、ysis Aberration Coefficients Seidel Diagram（或Seidel Coeffients），比较直观地观察系统各表面对各种像差的影响，鉴于显微物镜主要校正轴上点球差、色差和正弦差，因此可以选择红颜色的Spherical Aberration 作为主要观测对象。经观察发现，第1、3、4、7、8这几个表面对球差影响较大，因此可以尝试这几个半径组合作为变量，每次优化在之前基础上增加两三个半径作为变量，不要一次增加太多变量，否则效果不一定好。Ctrl+Z是设定变量的快捷方式。在优化效果不好时，不要盲目继续甚至保存，而要按F3键返回，否则有可能因错误选择优化方向而钻入

11、“死胡同”！最好的方法是，每次有效的优化都另存为一个文件，文件名可按照自己的习惯选择具有“标志性”的名称，这样方便以后回顾自己的设计过程或调用相关优化记录。A）通过查看Seidel Diagram，首次选择r3，r4，r7半径作为变量，点击“OPT”进行自动优化（结果见附件-1优化半径347），点列图减小，MTF曲线变化不大，注意Merit Function理想值应为0；B）继续选择变量r1，r8，r10半径作为变量，自动优化（结果见附件-2优化半径1810）；此时，像距已变为0.05mm左右；C）为防止像距过大波动，将其固定为0.1mm，取消像距位置的“Marginal Ray Height

12、”选项，继续优化；D）继续选择变量r2，r6半径作为变量，自动优化（结果见附件-4优化半径26）；E）继续选择变量r9半径作为变量，自动优化（结果见附件-5优化半径9）；F）至此，所有能选做变量的半径都已选择，下一步即化透镜间隔或空气厚度d，首选光阑前后半径d4，d5作为变量，同时在“Merit Function Editor”中输入“TOTR”操作数，目标值为29.642（195mm-165.358mm=29.642mm），以确保在优化过程中的物像共轭距，权重“weight”设定位1，然后进行OPT自动优化（结果见附件-6优化光阑位置45）；G）尝试其它距离或厚度作为变量，选择第一、二透镜间

13、距，即d2作为变量，在“OPT”中选中“Auto Update”复选框，然后进行自动优化，实时观察MTF曲线的变化及透镜外形的合理性，在合适的位置选择“Terminate”终止优化过程（4）像差优化结果优化后镜头数据编辑表优化后结构图优化后像差曲线：优化后点列图：优化后系统传递函数：学习体会刚开始接触光学课程设计时，感觉这是一门很有挑战性的课程，特别是对于我们这些没接触过制版物镜的人来说，更是觉得自己在两周内设计制版物镜是不可能的事。随着老师的逐步讲解，我对制版物镜的设计有了进一步的了解，特别是对设计的流程有了更深的体会。但是，直至写报告之时，我才发现真正要把设计思路，设计过程，每一个式子，每

14、一个数据是怎样得到的清清楚楚的写下来，还是困难重重的。原因很简单，就是在老师讲解时，我只是有个感性的认识，觉得老师讲的大概是对的，并没有深入地去理解为什么可以这样设计，而到了自己要把它讲清楚时，各种各样的问题就来了。总之，从头走到尾走下来，感觉收获是很大的，虽然过程是辛酸的，但是结果却令自己很欣慰。其次此次是第一次使用ZEMAX软件，从刚开始对其的茫然无知到现在能基本的进行一些像差优化，这过程是无比艰辛的，深深体会到ZEMAX软件对于光学设计的重要性。以下是一些使用ZEMAX软件的心得：1 自动优化时，一般不要将所有准备平衡的像差同时校正而是先校正一部分像差， 例如球差和彗差，然后显示所有可控

15、像差值，挑选其中较大的像差逐步加入自动优化行列 TCOS 中。 进行这一过程是非常方便的，这样往往能提高设计速度，甚至避免一些优化过程中的相关现象；2 有时在优化过程中，最大因子经过震荡后，进入一种稳定慢收敛状态，表现为状态栏中的最大因子的值持续减小，但减小得比较少，这时终止优化，然后再单击“自动优化”按钮重新投入优化，往往能快速收敛到位；3 有时程序自动优化结束后，像差值还不一定满足使用者的要求，这时可以不作任何修改，再单击“自动优化”按钮，重新优化；如果还是不满足要求，则可以修改自动优化中的自变量增量，例如将曲率增量减小或增加一个数量级；4 对于有些难校正的像差，可根据显示的所有可控像差值的大小，逐步校正减小其值，直到无法校正下去为止，即不要试图一次使其校正到0 这个过程中注意每校正一次后都观看一下结果，并注意将当前数据存盘。 至于作图，此次还学习使用了Visio软件，掌握了一些基本的光学元件及系统作图方法，感觉还是挺好用的！ 整个课题的完成可以说是坎坎坷坷！但在老师和同学们的帮助下还是完成了课题，对此表示感谢！谢谢你们的大力支持！参考文献1、刘钧 高明 光学设计 西