光学设计论文

1、第一章 前言 随着光学设计的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域。光学仪器的核心部分是光学系统。光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。然而，一个高质量的成像光学系统要靠良好的光学设计去完成。光学设计的理论和方法也在发生着日新月异的变化。光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。所谓光

2、学系统设计即设计出系统的性能参数、外形尺寸、和各光组的结构等，大体上分为两个阶段，第一阶段为“初步设计”或者“外形尺寸设计”，即根据仪器总体的设计要求，从仪器总体出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性。第二阶段称为“像差设计”，一般称为“光学设计”，即根据初步设计的结果，确定每个透镜的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成型质量成像质量的要求。一个光学仪器工作性能的优劣，初步设计是关键，当然在初步设计合理的条件下，如果像差设计不当，同样也可能造成不良后果。一个好的设计应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。光学设计是20世纪发展起来

3、的一门学科，至今已经经历了一个漫长的过程。光学系统设计的具体过程：制定合理的技术参数，光学系统总体设计和布局，光组的设计（包括选型，初始结构的计算，像差校正、平衡与像质评价） ，长光路的拼接与统算，绘制光学系统图、部件图和零件图，编写设计说明书，进行技术答辩。光学设计的设计步骤为选择系统的类型，分配元件的光焦度，校正初始像差，减小残余像差（高级像差）。重复以上步骤，最终会找到一个满意结果。本次设计主要采用ZEMAX光学设计软件已经专门的绘图软件、撰写公式的软件。ZEMAX是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序。大部分ZEMAX的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。键盘快捷键可以用来引导或

4、略过菜单，直接运行。 第二章 双胶合与双分离组合的摄远物镜高倍率望远物镜焦距很长，其外形尺寸和重量均很大，为减小重量和缩短望远镜筒长度，可用摄远物镜。摄远物镜属于望远物镜中的一种，望远物镜的相对孔径和视场都不大，要求校正的像差也比较少，所以它们的结构也一般比较简单，多数采用薄透镜组和薄透镜系统。它们的设计方法大多建立在薄透镜系统初级像差理论的基础上因此其设计理论比较完善。望远物镜一般分为折射式，反射式和折反射式三种形式。其中折射式物镜包括双胶合物镜，双分离物镜双单呵单双物镜，三分离物镜，摄远物镜，对称式物镜和内调焦物镜。 图1 双胶合与双分离组合的摄远物镜1.、摄远物镜的优点 ：l 系统的长度

5、L小于物镜的焦距f '，一般可达焦距的2/3至3/4。l 由于系统还有两个薄透镜组，因此有可能校正四种单色像差，除了球差，慧差而外，还可能校正场曲和像散。因此，它的视场角比较大，同时可以充分利用它的校正像差的能力来补偿目镜的像差，使目镜的结构简化或提高整个系统的成像质量。2、摄远物镜的缺点 ：系统的相对孔径比较小，因为前组的相对孔径一般要比整个系统的相对孔径大一倍以上，如果前组采用双胶合，相对孔径大约为1/4，则整个系统的相对孔径一般在1/8左右。要增大整个系统的相对孔径，就必须使前组复杂化，以提高它的相对孔径，比如利用双胶合和双分离组合的摄远物镜。3. 双胶合物镜的简介： 双胶合物镜

6、：双胶合物镜有着最简单的结的构，制造和 装配方便，光能损失小。若玻璃选择合适，可以同时校正球差、正弦差和色差。由于双胶合面曲率较大，产生大的高级球差，因而受到孔径限制望远镜物 镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差和慧差。由薄透镜系统的初级像差理论知道，一个薄透镜组除了校正色差而外，还能校正单色像差，正好符合望远物镜校正像差的需要。如果恰当地选择玻璃，则双胶合物镜可以达到校正三种像差的目的，所以双胶合物镜是最常用的望远物镜。由于双胶合物镜无法校正像散和场曲，因此它的可用视场受到限制，一般不超过10°，如果物镜后边有较长光路的棱镜，则由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，因而可以抵消部

7、分物镜的像散，视场可达到15°到20°。双胶合物镜可能满意成像质量的相对孔径如下所示 ： 双胶合物镜的焦距与相对孔径对应关系表f '501001502003005001000D/f '1：31：3.51：41:51:61:81:10一般双胶合物镜的最大口径不能超过100 mm,这是因为当直径过大时，会使透镜的质量过大而胶合不牢固，同时当温度改变时，胶合面上容易产生应力，使成像质量变坏，严重时可导致脱胶。所以，对于直径过大的双胶合镜组，往往不进行胶合，而是中间用很薄得空气层隔开，空气层两边的曲率半径仍然相等。这种物镜从像差性质来说实际上和双胶合物镜完全相同。3

8、、 双分离物镜的简介： 与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度 利用正负透镜间的间隙的变化也可以作为校正像差的变数，使高级像差减小。因此双分离物镜比双胶合物镜所适合的相对孔径要大。双胶合物镜由于孔径高级球差的限制，它的相对孔径球差只能达到1/4左右。如果我们使双胶合物镜正反透镜之间有一定的间隙，则有可能减小孔径高级球差，使相对孔径可以增加到1/3左右。双分离物镜有对玻璃组合的要求不像双胶合物镜那样严格，一般采用折射率差和色球差都比较大的玻璃，这样有利于增大半径，减小孔径高级球差。但是，这种物镜的色球差并不比双胶合的物镜小；另外，空气间隙的大小和两个透镜的同心度对成像质量的影响很

9、大，所以装配调整比较困难。双胶合的色差小，而球差和慧差较大；双分离的球差和慧差小，色差大。因此可以利用双胶合和双分离的组合物镜制作望远物镜。 第三章 缩放法简介 随着电子计算机的发展和光学设计技术的提高，人们已经设计出了很多性能优良的各种光学系统，并把这些资料载入技术档案和专利文献中。有些光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能从这些专利文献中选择出一些光学特性与所设计的物镜尽可能接近的结构作为初始结构，不但会给设计者节省设计时间，而且也容易获得成功。尤其是在设计复杂的物镜时，一般从专利文献中选择初始结构。 所谓缩放，即根据对光学系统的要求，找出性能参数比较近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比

10、K，并估计其像差的大小或变化趋势。 一般的缩放法分为如下几步：物镜选型，缩放焦距，更换玻璃，估计高级像差，检查边界条件。 第四章 根据设计要求获取实验数据结合所设计的题目应用缩放法获得需要的数据：想要设计的物镜要求： D=58 mm D/f'=1：1.98（相对孔径） 2W=12°其缩放步骤如下：1、根据所设计光学系统的外部参数，由光学仪器设计手册上选取比较接近的现有结构。选取的初始结构数据如下：f '=104.58 D/f'=1:2.2 2W=10.7' LF'=54.79 rdnD72.1112.5BaK248.8-52.793.5F248

11、.5-765.6046.068.553.5F439.638.992.844.987.3K938.1-1393.202、根据焦距计算缩放比K ： K=f'设计焦距 / f'现有焦距 最好 K>1，根据题意得K=(1/1.98)*58/104.58=1.103、将现有结构中的的变量（r,d,D,）放大K倍，角量（如w）保持不变。4、估计使用条件下的像差和瞳孔位置的变化。所选结被放大后，所有线量像差进而也随之被放大，原有结构的使用条件不可能与现在的使用条件完全相同，但可根据原来使用的孔径和视场及像差曲线的趋势，推算出新的使用条件下的相差值等。5、检查和调整间隔（中心厚和边缘厚)

12、,以满足工艺要求，必要时更换玻璃材料（尽可能国产化，并保证折射率和色散值）。6.、上机计算。首先检查焦距是否为预想值，若相差太远，可复查缩放过程或者原始值。再查其他值，或者做相差校正等。 缩放后的结构数据如下:f '=1152W=10.7D=52.29 r d n D79.32113.75Bak253.68-58.2673.85F253.35-842.1650.675.4053.85F443.5642.8893.0849.4788.03K941.911532.52在D=52.29, 2W=10.7的使用条件下，将各个数值进行自动优化。第五章 ZEMAX仿真在ZAMAX软件中依次进行如下

13、操作：输入入瞳直径D， 视场角2W的设定，波长设定和编辑镜头数据，得到了优化前的数据：1、点击LAY得到平面光路图：平面图由弧和线组成，弧用来显示镜头面的曲率。如果是只使用球面 (或平面)的透镜，那么弧可以完全表示镜头。若光线未能射入到一个面，那么在发生该错误的面光线不画出。如够光线发生全反射，那么在发生全反射的面入射的光线画出，出射的光线不画出。图中可以看出出射的光线并未交于一点，而理想的光线图的同种颜色的出射光线应交于一点，所以应进行优化。2、点击L3D获取初始条件下的3D图形： 从实验得到的3D图形可以看出，与平面图像相比较，它全方位地展现立体光路的传播，更加生动清晰和具体，三维图像的立

14、体化与实际光路的传播更具说服力，不难看出，其与平面图形的弊端大体一致，仍需要优化。3、像差特征曲线：目的：显示作为光瞳坐标函数的光线像差。因为像差是有x 和y 分量的矢量，光线像差曲线不能完全描述像差，特别是像平面倾斜或者系统是非旋转对称时。另外，像差曲线仅仅表示了通过光瞳的两个切面的状况，而不是整个光瞳。像差曲线图的主要目的是判断系统中有哪种像差，它并不是系统性能的全面描述，尤其系统是非旋转对称时。4、 光程差（OPD）曲线： 目的是显示用光瞳坐标函数表示的光程差。垂轴刻度在图形的下端给出。 绘图的数据是光程差，它是光线的光程和主光线的光程的差，通常，计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。

15、每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。若显示所有波长，那么图形以主波长的参考球面和主光线为参照基准的。若选择单色光那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。由于这个原因，在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数据通常被改变。5点列图：对于同一物点，追踪的光线条数越多，像面上的点子数就越多，就越能精确地反映出像面上的光强度分布情况。实验表明，在大像差光学系统中，用几何光线追踪所确定的光能分布与实际成像情况的光强分布是相当符合的。利用点列图来评价照相物镜等的成像质量时，通常是利用集中30%以上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。利用点列图来评价成像质量时

16、，计算的工作量很大，但是是一种简单易行的像质评价方法。6、MTF曲线： 所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度情况分布函数经光学系统成像后，其对比度的衰减情况。当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，即该频率被截止。这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。 在实际评价光学成像质量时，根据不同的目的，其MTF的要求是不一样的。第六章 设计优化由于仿真图像并不理想，所以采用自动优化的方法，令几个参数自动优化从而达到较为理想的效果。优化后的数据：改变几个参数大小后，与优化前的图形相比，以下的优化后的图形更加科学美观，更加符合设计及其工业生产的需要。1、优化后的平

17、面光路图像：2、优化后的3D图像：3、优化后的像差特征曲线：4. 优化后的光程差曲线： 5. 优化后的点列图：6、优化后的MTF曲线：第七章 设计心得体会 经过一周的课程设计，我受益匪浅。从刚开始不知如何着手确定设计题目到最后反复推敲优化结果，这是一个充实且富有收获的美好过程。课程设计并不像在课堂上那样老师会把所有重点和细节告诉学生，所有的同学也不可能有同样的疑惑，即便是老师告诉学生设计的重点在哪里，但是由于时间和困难程度的关系，很多问题都需要自己去思考，去实践，这充分锻炼了我独立思考问题和解决问题的能力，虽然这是我第一次接触Zamax软件，参照课本上的讲解、自己的练习和同学之间的讨论，在确定参考数据之后可以熟练地按步骤进行优化处理。接下来是写论文，在应用光学与光学设计等参考资料的帮助下，我顺利完成了文字的编辑与录入工作，之后是图形的插入，我学习了VISIO软件的应用将所用到的图形绘制并插入到文字中，使论文更具有说服力。在不断总结的过程中，我将优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。在本次设计中，我们学到的不只是光学上的一些知识，还学会了一种设计思路和接受新事物的能力的锻炼，我们就要毕业走上工作岗位，这样的探索精神和能力无疑是我们学习和发展的重点和优点，所以，这次课程设