簡單望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計.doc

電氣工程學(xué)院課程設(shè)計說明書設(shè)計題目： 簡單望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計 系 別： 年級專業(yè)： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 電氣工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 光學(xué)儀器基礎(chǔ)課程設(shè)計 基層教學(xué)單位： 自動化儀表系 指導(dǎo)教師：王志斌學(xué)號學(xué)生姓名（專業(yè)）班級設(shè)計題目簡單望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)焦距mm，相對孔徑為1:10。要求物鏡本身校正球差、慧差、軸向色差。入瞳位置在物鏡上。設(shè)計要求計算望遠(yuǎn)物鏡的各個參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu)，滿足像差要求參考資料1、 劉鈞，高明編著，光學(xué)設(shè)計，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，西安2、 光學(xué)儀器設(shè)計手冊，1971，國防科技出版社，北京3、 光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX應(yīng)完成內(nèi)容6.20-6.21計算設(shè)計雙膠合透鏡的各個參數(shù)6.22-6.23上機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu)6.28答辯指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計報告前面。電氣工程學(xué)院 教務(wù)科目錄第一章 設(shè)計要求1第二章 設(shè)計方法和ZEMAX軟件12.1設(shè)計方法12.2 ZEMAX軟件介紹2第三章 設(shè)計過程33.1 P、W法計算初始結(jié)構(gòu)33.2 ZEMAX軟件優(yōu)化曲率半徑7第四章 像差分析15心得體會17參考文獻(xiàn)18緒論 在薄透鏡組中，應(yīng)用最多的是雙膠合透鏡，因為它是能夠滿足一定的P、W、C的最簡單的結(jié)構(gòu)形式。它是一種把低分散的冕牌玻璃正透鏡和高分散的火石玻璃負(fù)透鏡粘接而成的透鏡。設(shè)計時，在藍(lán)色（486.1nm），綠色（546.1nm）和紅色（656.3nm）三個波長，對分散的不同值和透鏡形狀進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了最小色差。因此，此類透鏡可在整個可見光區(qū)域內(nèi)使用。其球差在設(shè)計時也進(jìn)行了優(yōu)化，和單個透鏡相比，雙膠合透鏡的球差要小的多。使用于無限遠(yuǎn)共軛狀態(tài)時，其球差最小。摘要 光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)計算通常采用以下兩種方式：即代數(shù)法（解析法）和縮放法。代數(shù)法是根據(jù)初級相差理論來求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)的方法，又稱PW法; 而縮放法是根據(jù)已有光學(xué)技術(shù)資源和專利文獻(xiàn)，選擇其光學(xué)特性與所要求的相接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的方法。ZEMAX是美國Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運算Seqential及Non-Seqential的軟件。第一章 設(shè)計要求： 設(shè)計一個焦距為500mm，相對孔徑為1:10的望遠(yuǎn)物鏡，要求物鏡本身校正球差、慧差、軸向色差。入瞳位置在物鏡上。第二章 設(shè)計方法和ZEMAX軟件2.1設(shè)計方法：任何光學(xué)系統(tǒng)或光組的像差參量表達(dá)式均可分為兩部分：一部分稱為內(nèi)部參數(shù)，是指光組各個折射面的曲率半徑r、折射面間的間隔d和折射面間介質(zhì)折射率n；另一部分參數(shù)稱為外部參數(shù)，是指物距l(xiāng)、焦距f、半視場角w和相對孔徑D/f等。 P,W不僅和內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且也和外部參數(shù)有關(guān),成為內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)的橋梁。光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)計算通常采用以下兩種方式：即代數(shù)法（解析法）和縮放法。代數(shù)法是根據(jù)初級相差理論來求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)的方法，又稱PW法；而縮放法是根據(jù)已有光學(xué)技術(shù)資源和專利文獻(xiàn)，選擇其光學(xué)特性與所要求的相接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的方法。雙膠合玻璃透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算步驟如下：（1）由、按式求（2）由和查附錄1找出需要的玻璃組合，再查附錄2,按所選玻璃組合找出、。（3）由式和式求： 將以上兩式求得的值比較，取其接近的一個值。（4）根據(jù)求折射球面的曲率半徑、。計算公式為： （5）由上面求得的曲率半徑是在總焦距為1的歸化條件下的曲率。從薄透鏡可知，如果實際焦距為，則半徑和成正比，即得： 本次課設(shè)主要采用解析法（PW法）計算雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.2 ZEMAX軟件介紹： ZEMAX是美國Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運算Seqential及Non-Seqential的軟件。 ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件，它將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。ZEMAX 不只是透鏡設(shè)計軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計分析軟件， 具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點，與其它軟件不同的是 ZEMAX 的 CAD 轉(zhuǎn)文件程序都是雙向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)， ZEMAX光學(xué)設(shè)計程序是一個完整的光學(xué)設(shè)計軟件，是將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件。包括光學(xué)設(shè)計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強(qiáng)大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。ZEMAX功能強(qiáng)大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。 ZEMAX能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統(tǒng)及非成像系統(tǒng)。 ZEMAX 能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。 ZEMAX 的界面簡單易用， 只需稍加練習(xí)， 就能夠?qū)崿F(xiàn)互動設(shè)計。ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實現(xiàn)。同時，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 ZEMAX 時的一些慣用方法進(jìn)行了解釋，對設(shè)計過程和各種功能進(jìn)行了描述。 ZEMAX目前已經(jīng)是被光電子領(lǐng)域熟知的光學(xué)設(shè)計的首選軟件。該軟件擁有兩大特點，就是可以實現(xiàn)序列和非序列分析。在全球范圍內(nèi)，這款軟件已經(jīng)被廣大的應(yīng)用在設(shè)計顯示系統(tǒng)，照明，成像的使用系統(tǒng)，激光系統(tǒng)以及漫射光的設(shè)計應(yīng)用方面。 ZEMAX 有三種不同的版本：ZEMAX-SE（標(biāo)準(zhǔn)版）；ZEMAX-XE（擴(kuò)展版）；ZEMAX-EE（工程版）。第三章 設(shè)計過程：3.1 P、W法計算初始結(jié)構(gòu)（1）、選型。這個物鏡的視場角很小，所以軸外像差不大。主要校正的像差為球差、正弦差和位置色差。相對孔徑也不大，故選用雙膠合型，孔徑廣闌與物鏡框重合。（2）、確定基本像差參量。根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)像差的初級量為零，則按初級像差公式有： 亦即 由此可得像差基本參量為： ,（3）、求。由式 可得： 因為玻璃為選好，可暫選用冕牌玻璃進(jìn)行計算。取,并將和的值代入上式，得：（4）、根據(jù)和從附錄1查玻璃組合。由于K9玻璃性能好而且熔煉成本地，因此應(yīng)優(yōu)先選用。可選它和玻璃組合，當(dāng)時，由附錄1查得。從附錄2查得K9（）和（）組合的雙膠合薄透鏡組的各系數(shù)為：, ,并取A=2.44.K=1.72（5）、求形狀系數(shù)： 由于，不存在嚴(yán)格的消像差解，但因值接近于，可認(rèn)為，因此可得，。（6）、求透鏡各面的曲率（規(guī)劃條件下的）： （7）、求薄透鏡各面的球面半徑： 現(xiàn)將該透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)整理如下：，物距,入瞳半徑，入瞳距第一折射面距離玻璃牌號309.165K9（8）、求厚透鏡各面的球面半徑。光學(xué)系統(tǒng)初始計算得到結(jié)果以后，必須把薄透鏡換成厚透鏡，其步驟如下： 光學(xué)零件外徑的確定。根據(jù)設(shè)計要求和，可算出通光口徑。透鏡用壓圈固定，其所需余量由手冊查得2.5，由此可得透鏡的外徑為52.5。 光學(xué)零件的中心厚度及邊緣最小厚度的確定。保證透鏡在加工中不易變形的條件下，其中心厚度與邊緣最小厚度以及透鏡外徑之間必須滿足一定的比例關(guān)系：對凸透鏡：高精度 中精度 其中還必須滿足對凹透鏡：高精度且 中精度且式中，為中心厚度，為邊緣厚度。具體結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。根據(jù)上面公式，可求出凸透鏡和凹透鏡的厚度。凸透鏡： 式中、為球面矢高，可由下式求得 式中為折射球面半徑，為透鏡半徑。 圖（1）雙膠合透鏡將已知數(shù)據(jù)代入可求得， 然后，再將它帶入式的凸透鏡最小邊 緣厚度： 凸透鏡最小中心厚度： 凹透鏡： 的求法同上，將已知數(shù)代入式得。然后，再將它代入式便可求得凹透鏡最小邊緣厚度： 在保持和角不變的條件下，把薄透鏡變換成厚透鏡。薄透鏡變換成厚透鏡時，要保持第一近軸光線每面的和角不變，由式和式可知當(dāng)和不變時，、在變換時可保持不變，放大率亦保持不變。當(dāng)透鏡由薄變厚時，第一近軸光線在主面上入射高度不變，則光學(xué)系統(tǒng)的光焦度亦保持不變。3.2 ZEMAX軟件優(yōu)化曲率半徑一般來說，透鏡組的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)都可以用作優(yōu)化變量參與優(yōu)化。本次課設(shè)主要是對透鏡的曲率半徑進(jìn)行優(yōu)化。ZEMAX軟件自動校正的前提是，假定可以定義一個評價函數(shù)，它唯一地表征了一個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。該評價函數(shù)的值越小，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量就越好；評價函數(shù)的值越大，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量就越差。評價函數(shù)定義的越合理，就越能真實地表征光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。 (1)光學(xué)特性參數(shù)孔徑：視場波長評價函數(shù)（2）初始結(jié)構(gòu)像質(zhì)評價報告圖鏡頭數(shù)據(jù)綜合誤差（Ray）光程差（Opd）點列圖（Spt）場曲與畸變（Fcd）光學(xué)傳遞函數(shù)（Mtf）像點能量分布圖（Enc）系統(tǒng)有較大的像差存在，主要為場曲與畸變，像質(zhì)不好，需進(jìn)一步優(yōu)化。（3）優(yōu)化后像質(zhì)評價報告圖鏡頭數(shù)據(jù)綜合誤差（Ray）光程差（Opd）點列圖（Spt）場曲與畸變（Fcd）光學(xué)傳遞函數(shù)（Mtf）像點能量分布圖（Enc）（4）、優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：玻璃牌號第四章 像差分析： 優(yōu)化前的像差都比較大，成像質(zhì)量不理想，所以需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。一般來說，系統(tǒng)中的每一個結(jié)構(gòu)參數(shù)都可以作為優(yōu)化變量參與優(yōu)化，這里采用最普遍的曲率半徑的優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后的透鏡結(jié)構(gòu)像差容限 1）球差公差 式中取550nm，經(jīng)計算知所得求得的球差符合設(shè)計要求。 2）彗差公差小視場光學(xué)系統(tǒng)的彗差通常用相對彗差來表示，其公差值根據(jù)經(jīng)驗取 3） 色差公差 通常?。?經(jīng)檢驗像差數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。心得體會：通過這次課程設(shè)計，讓我們對所學(xué)的光學(xué)知識有了進(jìn)一步的認(rèn)識，了解了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟，學(xué)習(xí)了一款新的光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX，并自己動手設(shè)計出了雙膠合透鏡的鏡片。剛開始，我們對設(shè)計的總體思路都沒有一個大概的印象，于是到圖書館和上網(wǎng)查閱資料，看了以前上試驗課時的PPT和一些資料，才對要使用的軟件有大致的了解，更難得是安裝的ZEMAX 是全英文的，一些子菜單的意思都不是很明白，只有對著以前的設(shè)計課題，慢慢的探索和練習(xí)。之后再是對我們課題進(jìn)行慢慢的細(xì)細(xì)研究，終于有了點思路，即先分析設(shè)計的要求，按PW方法求出其初始結(jié)構(gòu)，ZEMAX系統(tǒng)軟件提供了一個自動優(yōu)化功能，我們可在人為設(shè)計完成后進(jìn)行自動優(yōu)化，在把優(yōu)化后的和未優(yōu)化之前的進(jìn)行比較，我們可以看到，經(jīng)過優(yōu)化后的圖像更加優(yōu)美和科學(xué)性。在設(shè)計過程中，我遇到了不少的問題，并在探討和嘗試中逐步解決。D光的邊緣帶球差校正比較理想，F(xiàn)線和C線的球差曲線很難相交在0.707帶，兩塊玻璃的折射率相差不是很大，在調(diào)試過程中很難達(dá)到理想狀態(tài)，只好通過調(diào)整曲率半徑來滿足要求。調(diào)制傳遞函數(shù)基本符合要求，但也不是很理想，應(yīng)加以改進(jìn)。雖然設(shè)計成果很不令人滿意，但是，在此過程中我明白了光學(xué)設(shè)計這一學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵之處，就是不斷地嘗試，不斷地糾正，沒有最正確的答案，只有更好的不斷改進(jìn)的結(jié)果，這是我在此課設(shè)過程中感悟到的最深刻的理解，相信這對我今后的學(xué)習(xí)生活會有很大幫助。最后感謝王志斌老師在課設(shè)過程中給予我的悉心指導(dǎo)與幫助，使我能夠成功的完成本次課設(shè)！參考文獻(xiàn)： 1、劉鈞，高明編著，光學(xué)設(shè)計，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，第75頁到第90頁、第244頁到259頁。2、光學(xué)儀器