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设 计 技 术 参 数焦距f' 500 mm相对孔径为1:10。要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。 入瞳位置在物镜上。设 计 要 求计算望远物镜的各个参数；上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求参 考 资 料1、钧，高明编著，光学设计，2006,电子科技大学，2、光学仪器设计手册，1971,国防科技，北京3、光学设计

2、软件ZEMAX应 完 成容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答辩指导教师签字基层教学单 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ZEMA漱彳.12.1 设计方法12.2 ZEMAX软件介绍2第三章设计过程33.1 P、Wte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、 W

3、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。使用于无限远共腕状态时，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 择其光学特

4、性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。ZEMA）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ZEMA漱件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、折射面间的间隔d和折射面问

5、 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 P、W按式PPo(2)由Po和Ci查附录1找出需要-ATWA 1的玻璃组合,2Wo 求 Po再查附录 2,按所选玻璃组合找出

6、1、Qo、Po、Woo(3)由式 P AQ Qo 2QoWo 求 Q：将以上两式求得的QoQo2WWoA 1Q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2、3。计算公式为:r11n2n2 1(5)由上面求得的曲率半径是在总焦距为1n2 11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:f 1f2f'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软件介绍：ZEMA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

7、，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。ZEMAM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、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，ZEMAX6学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光

8、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*能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的 综合性程序。ZEMAXIt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、分析和其他的辅助功能。ZEMAX勺界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 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

9、方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMA)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: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

10、设计要求，设像差的初级量为零，则按初 级像差公式有：L' SL0c ' ' SI2g山Kso 1 S2nkUkl'，C1 FC0''CInkUk亦即SIh4 3P 0S Jh2 2W0CIh2 012由此可得像差基本参量为：P 0, W 0 , CI 0(3)、求P0。由式_2PP0 0.85W0.1_2PP0 0.85W0.2可得：P0P0.85 W0.1P0P0.85 W0.2因为玻璃为选好，可暂选用冕牌玻璃进行计算。取W。0.1，并将P和W 的值代入上式，得：P0 0 0.85 0 0.1 20.0085(4)、根据P0和C7从附录1查玻璃

11、组合。由于K9玻璃性能好而且熔炼成本地，因此应优先选用。可选它和ZF2玻璃组合，当CI 0时，由附录1查得 P。0.038。从附录 2 查得 K9 (% 1.5163)和 ZF2 (1 1.6725 )组合的双胶合薄透镜组的各系数为 ：P0 0.038319, Q。4.284074, W。0.060991 2.009404,并取 A=2.44.K=1.72(5)、求形状系数Q :Q Q0 jPP0AQQ0WW0K由于PP0 ,不存在严格的消像差解，但因Po值接近于P ,可认为PP0A因此可得 Q Qo 4.284074 , WW00.06099。(6)、求透镜各面的曲率(规划条件下的)n1 1

12、1.5163 2.0094040.4284074 1.61726n11.5163 1n22.274671292.486n2n2 1(7)、求薄透镜各面的球面半径:r1需26 309-165500219.8122.27467312920486646.243tan,入瞳半径h 25,入瞳距第一折射面距离l z 0现将该透镜系统结构数据整理如下:rd玻璃牌号1309.165一2219.812d10K93646.243d20ZF20.02 ,物距L(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和旦

13、工，可算出通f 10一，光口径D 型0 50。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得 2.5,1010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其中还必须满足d 0.05D对凹透镜：高精度8d 2t D且d 0.05D 中精度16d 4t D且d 0.03D式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。具体结构如图（1）所示度。图（1）双胶合透镜根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚凸透镜：3d 7t Dt D 3同刈10式中不

14、、X2为球面矢高，可由下式求得22Dx r, rV2式中r为折射球面半径，D为透镜半径。将已知数据代入可求得X11.12, x21.57然后，再将它带入式t D 3IX1"X：的凸透镜最小边 缘厚度: 10D 3同 七| 50.7 3 2.51 t4.431010凸透镜最小中心厚度：d1 x1 t x22.51 4.32 7.133凹透镜：D 8园 8x110X3的求法同上，将已知数代入式 x r Jr2D 得X3 0.53o然后，再将它代入式t D 8园8刈 便可求得凹透镜最小边缘厚度:10d2 t x2 x3 5.81 1.47 0.50 3.378在保持u和u角不变的条件下，把

15、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2P uu和式W uu可知当u和u不变时，P、W在变1nni 1nn一n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。ZEMA)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

16、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Fii.f? fl D at taR河裁Ki西|L O bjrect HeightY-FieldWciolitParanial 1 mogo Ho ight1 A&al llma gc HlcighlYAMUmH-Fi=kJY附VIXYy5ver萨1fo|o1.00000.00000ooooooo aaooo0.00000D.oooao口 201.00000.00000O.OtXDOOo.nooooOlOOOOOOlOOOOO河30Z.S51.0000|0 0口口口。.aoocnn Ug箕a

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28、.OP L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Eill lVIE.4j tLb I lccj L«Jphit TtTEThJidtiiess与由L -fr Lette工Mai七4 tgMjNi：©!ft hA4hH4IWiimi-'q'y1肝ii附iTQ. QQQCiCO7¥tnn4iir43nlinwTD “口附口,viinnq. OOQOCQMft uulsr i.¥冲睥0paQ.OOOWO3利皿心Ed-ZJ7 ?5177r加o.oooooo4缸 snifii/JK3EKH

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