光学设计课程设计说明书

PAGE28光学设计课程设计说明书电气工程学院课程设计说明书设计题目：光学设计系别：电气工程学院年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：副教授电气工程学院《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：王志斌学号学生姓名（专业）班级设计题目双单望远物镜的设计设计技术参数焦距，相对孔径为1:3，。设计要求设计各个参数；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刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，西安《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京光学设计软件ZEMAX周次第一周第二周应完成内容计算设计处望远物镜的各个参数上机进行优化设计，确定最后的设计结构指导教师签字王志斌基层教学单位主任签字谢平摘要所谓光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。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。本设计的双单望远镜就是通过它来完成的。关键词：光学设计ZEMAX双单望远镜目录第一章概述51．1双单望远镜的简介51.2设计思想51.3ZEMAX软件简介5第二章初始结构的参数选定和仿真72.1设计要求72.2初始结构参数的选定72.3软件的设置72.4软件的仿真10第三章分析与优化153.1分析153.2进行优化后的结果15心得总结20参考文献21第一章概述1．1双单望远镜的简介如果物镜的相对孔径大于1/3，则一般采用一个双胶合和一个单透镜组合而成。如果双胶合透镜在前，单透镜在后，则为双单望远镜。如果单透镜在前，双胶合透镜在后，则为单双望远镜。这种型式的物镜，如果双胶合组和单透镜之间的光焦度分配合适，胶合组的玻璃选择恰当，孔径高级球差和色球差都比较小，则相对孔径最大可达1/2。这是目前采用最多的大相对孔径的望远物镜。双单望远镜的图如下：1.2设计思想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好多时间，而且也容易获得成功。其步骤如下：物镜选型缩放焦距更换玻璃估算高级像差检查边界条件这就是光学设计中的缩放法。1.3ZEMAX软件简介ZEMAX是美国FocusSoftwareInc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与的照度分析，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，它将的设计概念、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、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程序是一个完整的光学设计软件，是将实际的设计概念，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、分析和其他的辅助功能。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。在全球范围内，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）。ZEMAX主要特色：(1)分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP，*.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt。(2)优化表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如LocalOptimization可以快速找到佳值，Global/HammerOptimization可找到最好的参数。(3)公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。(4)报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件ZEMAX应用领域：含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、．．．等。第二章初始结构的参数选定和仿真2.1设计要求根据任务书的要求，先列表如下：主要技术指标半部结构焦距，相对孔径为1:3，。2.2初始结构参数的选定根据上面的技术指标，从《光学设计手册（李士贤、郑乐年编，袁旭沧审校）》选择合适的参数，现列表如下：rdnD82.25.5K928-57.813ZF128-4742.02.871.453.5K927.5∞此时的焦距fˊ=89.94，相对孔径为1:3.2，2w=7.5º。根据缩放从因子：K=fˊ设计焦距∕fˊ现有焦距计算可得：K=200∕89.94=2.223704692进行缩放后的数据列表如下：rdnD182078912.23K962.264-128.5526.0672ZF162.264-10544.8086.226158.8847.782K961.152∞这就是缩放后的数据，在对它进行一系列的处理。2.3软件的设置（1）修改系统设定。首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl为89.94mm，相对孔径为1：3。由公式，得物方孔径EPD约等于29.98。在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择29.98，单位毫米。（2）视场设定。在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0,0),(0,1.75)和(0,2.5)。第三步，波长设定。在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>波长，在弹出的对话框中，选择固定的三种波长，单击确定完成配置第四步，设置评价函数。在ZEMAX主菜单软件中，选择编辑>优化函数，出现窗口，点击工具>默认评价函数，在插入一行将BLNK改为EFFL，写入焦距和权重就可以了。系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。单透镜由两个面组成(前面和后面)，物平面和像平面各需要一个面，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时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面(或一个)。移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动。”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。最后进行缩放。点击工具>杂项>缩放镜头，改变缩放从因子，就可得到缩放后的数据。就可以得到缩放后的数据。2.4软件的仿真各个数据准备完后，可得如下图案：LAY:2.L3D:3.RAY:4.OPD：5.FCD:6.SPT:7.MTY:第三章分析与优化3.1分析点击分析>像真失差系数>塞得尔系数，可得分析结果：3.2进行优化后的结果1.电子表格为：2.各图的优化：1.Lay:L3D:3.RAY:OPD5.FCD6.SPT:7.MTF:优化后的赛得尔系数：心得总结通过这将近一周的光学设计的课程设计，我先在图书馆里查找了相关的书籍，如ZEMAX类的书籍，各类数据处理类的书籍以及双单望远镜的书籍等，即丰富了自己的知识范围，又对与自己所学的知识有了更深的了解和认识，同时也对它的应用有了一个大体的认识。这样将会更加激励我好好学习相关的知识，不断的将所学的知识用于实践。于实践中牢牢的掌握它。在设计的过程中，我也认识到了自己所学知识的不足。这也让我再次认识到知识是无尽的，只有不断的充实自己、完善自己的知识理论体系，才能够更好的胜任自己以后的工作。设计过程中知识的不足也让我更加坚定了终身学习的决心。在设计的过程中，我也