雙高斯物鏡的設計(共22頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上電氣工程學院課程設計說明書設計題目：雙高斯物鏡的設計系 別：工業(yè)自動化儀表年級專業(yè)：08級儀表學 號：08010學生姓名：指導教師：童凱 朱丹丹教師職稱：副教授 講師電氣工程學院課程設計任務書課程名稱：光學儀器基礎課程設計基層教學單位： 自動化儀表系 指導教師：童凱 朱丹丹學號學生姓名（專業(yè)）班級儀表3班設計題目雙高斯物鏡的設計設計技術參數焦距mm，相對孔徑為1:2。視場為。要求物鏡本身校正球差、色差、場曲、像散。設計要求計算雙高斯物鏡的各個參數；上機用軟件進行優(yōu)化，確定最后的設計結構，滿足像差要求。參考資料1、 劉鈞，高明編著，光學設計，2006，西安電子科技大學出

2、版社，西安2、 光學儀器設計手冊，1971，國防科技出版社，北京3、 光學設計軟件ZEMAX周次第一周第二周應完成 內容計算設計的雙高斯物鏡的各個參數上機進行優(yōu)化設計，確定最后的設計結構指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：1、此表一式三份，系、學生各一份，報送院教務科一份。 2、學生那份任務書要求裝訂到課程設計報告前面。電氣工程學院 教務科目錄一、介紹雙高斯物鏡是一種中等視場大孔徑的攝影物鏡。雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學結構，半部系統(tǒng)是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖1所示。 圖 1 雙高斯物鏡 由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設計這種類型的系統(tǒng)時

3、，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正。在雙高斯物鏡中依靠厚透鏡的結構變化可以校正場曲，利用薄透鏡的彎曲可以校正球差，改變兩塊厚透鏡之間的距離可以校正像散，在厚透鏡中引入一個膠合面可以校正色差。雙高斯物鏡的半部系統(tǒng)可以看作是由厚透鏡演變而來，一塊校正了匹茲萬場曲的厚透鏡是彎月形的，兩個球面的半徑相等。在厚透鏡的背后加上一塊正、負透鏡組成的無光焦度薄透鏡組，對整個光焦度的分配和像差分布沒有明顯的影響，然后把靠近厚透鏡的負透鏡分離出來，且與厚透鏡合為一體，這樣就組成了一個兩球面半徑不等的厚透鏡和一個正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半部系統(tǒng)。這個半部系統(tǒng)回來了承受無限遠物體的光線時，可用薄透鏡的彎曲校

4、正其球差。由于從厚透鏡射出的軸上光線近似平行與光軸，因此薄透鏡越向后彎曲，越接近與平凸透鏡，其上產生的球差及高級量越小。但是，該透鏡上的軸外光線的入射狀態(tài)變壞，隨著透鏡向后彎曲，軸外光線的入射角增大，于是產生了較大的像散。為了平衡，需要把光闌盡量地靠近厚透鏡，使光闌進一步偏離厚透鏡前表面的球心，用該面上產生的正像散平衡。于此同時，軸外光線在前表面上的入射角急劇增大，產生的軸外球差及其高級量也在增大，從而引出了球差校正和高級量減小時，像散的高級量和軸外球差增大的后果。相反，若將光闌離開厚透鏡，使之趨向厚透鏡的前表面球心，則軸外光線的入射狀態(tài)就能大大的好轉，軸外球差很快下降，此時厚透鏡前表面產生的

5、正像散減小。為了平衡，薄透鏡應該向前彎曲，以使球面與光闌同心。這樣一來，球差及其高級量就要增加。以上分析表明：進一步提高雙高斯物鏡的光學性能指標，將受到一對矛盾的限制，即球差高級量和軸外球差高級量的矛盾。解決這對矛盾的方法有三種：第一，選用高折射率低色散的玻璃做正透鏡，使它的球面半徑加大。第二，把薄透鏡分成兩個，使每一個透鏡的負擔減小，同時使薄透鏡的半徑加大。第三，在兩個半部系統(tǒng)之間引入無焦度的校正板，使它只產生和，實現拉大中間間隔的目的，這樣，軸外光束有更好的入射狀態(tài)。2、 用初級像差理論確定初始結構1、 半部系統(tǒng)的規(guī)劃半部系統(tǒng)如圖2所示，計算時把焦距規(guī)化為1，同時取規(guī)化條件2、 以厚透鏡校

6、正考慮到對高級像散的平衡，取。按相對孔徑需要選。玻璃可取BaF7和ZK8的組合。由式子可得 3、 加無光焦度雙薄透鏡校正?。▽嵺`表明取值在1.2到1.5之間為好）。（1） 求。 （2） 求個面曲率半徑 由式子， 及式子 可求得半部系統(tǒng)焦距規(guī)化為1時各面的曲率半徑分別為： 4、 求校正的孔徑光闌位置根據校正的要求，有 令，則 由以上各式可得 從上述計算可知，由于透鏡合成后球差系數，所得方程的二次項系數一定為零，也就是說只有一個根。5、 厚透鏡中加入消位置色差系數的膠合面為了使得引入膠合面后，所以取膠合面初級位置色差系數 由此可得 而第一近軸光線在膠合面上的入射高度 膠合面入射角 為求膠合面的曲率

7、半徑，用近軸光光路計算公式 的膠合面曲率半徑 6、 半部系統(tǒng)焦距確定半部系統(tǒng)合成完全對稱系統(tǒng)，由光焦度公式 知，當時，。實際上系統(tǒng)間不可能等于零，計算表明，當半部系統(tǒng)的焦距等于1，取合成以后的焦距大約等于0.8?，F設計要求的合成焦距為58毫米。所以半部系統(tǒng)的焦距 7、 半部系統(tǒng)實際結構參數的決定及全系統(tǒng)的合成首先將規(guī)化半部系統(tǒng)結構參數乘以半部系統(tǒng)的實際焦距，然后將薄透鏡加上必要厚度。半部系統(tǒng)實際結構參數確定以后，按對稱關系即可構成一個完全對稱系統(tǒng)。其全部結構參數如下：表1 雙高斯物鏡的結構參數 主要技術指標 結構面號/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK83

8、21.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、 象差計算已知物體在無限遠，則視場半角的正切式中為底片對角線的一半。入射光瞳半徑為，已知相對孔徑，則有 按進行光路計算，求得象方孔徑角總焦距拉赫不變量初級象差系數初級象差3、 用ZEMAX優(yōu)化1、 建立新鏡頭，錄入初始結構參數。鏡頭數據為： 圖3 初始鏡頭數據2、 像質評價報告圖 優(yōu)化前Ray

9、 Fan如圖4： 圖4 優(yōu)化前Ray 優(yōu)化前Opd Fan 如圖5： 圖5 優(yōu)化前Opd優(yōu)化前Spt 如圖6： 圖6 優(yōu)化前Spt優(yōu)化前Mtf 如圖7： 圖7 優(yōu)化前Mtf 優(yōu)化前Lay如圖8： 圖8 優(yōu)化前Lay優(yōu)化前場曲和畸變如圖9： 圖9 場曲和畸變 經分析，像質不夠好，有待進一步優(yōu)化。將透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量，通過優(yōu)化曲率半徑和厚度來提高像質。 優(yōu)化后鏡頭數據如圖10： 圖10 優(yōu)化后鏡頭數據 優(yōu)化后Ray Fan 如圖11： 圖11 優(yōu)化后Ray 優(yōu)化后Opd Fan 如圖12： 圖12 優(yōu)化后Opd優(yōu)化后Spt如圖13： 圖13 優(yōu)化后Spt優(yōu)化后Mtf如圖14： 圖14

10、 優(yōu)化后優(yōu)化后Lay 如圖15： 圖15 優(yōu)化后Lay優(yōu)化后場曲和畸變如圖16： 圖16 場曲和畸變4、 結論雙高斯物鏡是一種對稱型結構，故可以先從它的半部系統(tǒng)著手，這時只需要考慮校正半部系統(tǒng)的球差、像散、場曲、位置色差這四類軸向象差，全對稱合成后，其垂軸色差自動相消。對于半部系統(tǒng)，采用厚透鏡校正象差彎曲系數，用加無光焦度雙薄透鏡校正球差系數，用選取孔徑光闌位置校正像散系數，再在厚透鏡中加消色散膠合面的辦法，校正位置色差系數。計算出初始結構參數后，通過軟件進行調試優(yōu)化。選取透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量。調試優(yōu)化直至各參數滿足設計要求。五、心得體會光學設計課程設計結束了，通過這次課程設計，我

11、深深體會到“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”這句千古名言的真正含義。就說論文的編寫吧，各種公式的錄入和各種圖形的繪畫，都是在這次的課程設計中學習的。通過這次的課程設計，我認識到了學習是始終伴隨自己的，從開始的對ZEMAX的一竅不通，到現在能基本用它完成簡單光學系統(tǒng)的設計優(yōu)化。從開始不知道怎么使用VISIO作圖，到現在能使用其作出相關的圖形。當然，各種軟件功能都及其龐大，但是，認識到邊學邊用后，自己便能在以后的工作和學習生活中更加從容一些。在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，和同學們相互探討，相互學習。課程

12、設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我努力做了，雖然不是很完美，但自己也收獲了些東西，相信自己會從中受益。學無止境，今后會更加努力。參考文獻 1、劉鈞、高明·光學設計·西安電子科技大學出版社·西安·2006 2、光學儀器設計手冊·國防科技出版社·北京·1971 3、光學設計軟件ZEMAX 4、張以謨·應用光學·機械工業(yè)出版社·北京·1982 5、王之江·實用光學技術手冊·機械工業(yè)出版城·2006 6、光學儀器設計手冊·國坊工業(yè)出版社·北京·1971電氣工程學院課程設計評審意見表指導教師