單雙物鏡設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目:單雙望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級專業(yè)： 10級儀表3班學(xué) 號： 1001030201 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 副教授 電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱： 光學(xué)儀器基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 基層教學(xué)單位： 自動(dòng)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10儀表3班設(shè)計(jì)題目單雙望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)焦距f=100mm，相對孔徑為1：1.8, 。設(shè)計(jì)要求計(jì)算物鏡的各個(gè)參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計(jì)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(jì)，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，西安2、 光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊，19

2、71，國防科技出版社，北京3、 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX應(yīng)完成內(nèi)容計(jì)算設(shè)計(jì)處望遠(yuǎn)物鏡的各個(gè)參數(shù)上機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教師簽字王志斌基層教學(xué)單位主任簽字謝平說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)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(jì)報(bào)告前面。電氣工程學(xué)院 教務(wù)科燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評審意見表指導(dǎo)教師評語：成績： 指導(dǎo)教師： 2013年 7 月11 日答辯小組評語： 成績： 評閱人： 2013年7 月 11日課程設(shè)計(jì)總成績：答辯小組成員簽字：2013年7 月 11日摘 要望遠(yuǎn)鏡是一種利用凹透鏡和凸透鏡觀測遙遠(yuǎn)物體的光學(xué)儀器。利用通過透鏡的光線折射或光線被凹鏡反射使之

3、進(jìn)入小孔并會(huì)聚成像，再經(jīng)過一個(gè)放大目鏡而被看到。又稱“千里鏡”。望遠(yuǎn)鏡的第一個(gè)作用是放大遠(yuǎn)處物體的張角，使人眼能看清角距更小的細(xì)節(jié)。望遠(yuǎn)鏡第二個(gè)作用是把物鏡收集到的比瞳孔直徑（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使觀測者能看到原來看不到的暗弱物體。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展光學(xué)儀器已普遍應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。我們知道，光學(xué)儀器的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)。然而一個(gè)高質(zhì)量的成像光學(xué)系統(tǒng)是要好的光學(xué)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，所以說，光學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。光學(xué)設(shè)計(jì)要完成的工作包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂光學(xué)設(shè)計(jì)就是根據(jù)系統(tǒng)所提出的使用要求，來決定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸、

4、各光組的結(jié)構(gòu)等。大體可以分為兩個(gè)階段。第一階段根據(jù)儀器總體的要求，從儀器的總體出發(fā)，擬定出光學(xué)系統(tǒng)原理圖，并初步計(jì)算系統(tǒng)的外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學(xué)特性等。第二階段是根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，確定每個(gè)透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證滿足系統(tǒng)光學(xué)特性和成像要求。這一階段的設(shè)計(jì)成為“相差設(shè)計(jì)”，一般簡稱光學(xué)設(shè)計(jì)。評價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的好壞，一方面要看它的性能和成像質(zhì)量，另一方面要系統(tǒng)的復(fù)雜度。一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞應(yīng)該是在滿足使用要求的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最簡單的系統(tǒng)。目 錄第一章 ZEMAX軟件介紹第2章 縮放法的簡介第3章 初始結(jié)構(gòu)的參數(shù)及曲線第4章 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及曲線第5章 學(xué)習(xí)心得第六章 參考文

5、獻(xiàn)第一章 ZEMAX軟件介紹ZEMAX是美國Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)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(yùn)算Seqential及Non-Seqential的軟件。 ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。ZEMAX 不只是透鏡設(shè)計(jì)軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計(jì)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(diǎn)，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

6、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(jì)程序是一個(gè)完整的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析，公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件。包括光學(xué)設(shè)計(jì)需要的所有功能，可以在實(shí)踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè)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(jì)中實(shí)現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。ZEMAX 的界面簡單易用，

7、只需稍加練習(xí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)設(shè)計(jì)。ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 ZEMAX 時(shí)的一些慣用方法進(jìn)行了解釋，對設(shè)計(jì)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(jì)的首選軟件。該軟件擁有兩大特點(diǎn)，就是可以實(shí)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(jì)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(jì)應(yīng)用方面。第二章 縮放法的簡介所謂縮放，即根據(jù)對光學(xué)系統(tǒng)的要求，找出性能參數(shù)比較接近的已有結(jié)構(gòu)，將其各尺寸乘以縮放比K,，得到所求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并估計(jì)像差的大小或變化趨勢。具

8、體步驟如下：（1） 根據(jù)所設(shè)計(jì)的外部參數(shù)，由手冊等資料選取比較接近的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。外部參數(shù)指D、f、2w等。其中主要是f'不能相差太大，相差太大即失去了原有數(shù)據(jù)的參考價(jià)值。（2） 根據(jù)焦距計(jì)算縮放比K：（3）將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的所有線量放大K倍，角量和相對量不變。（4） 估計(jì)使用條件下的相差和瞳孔位置的變化，所選的結(jié)構(gòu)被放大后，所有線量相差進(jìn)而也隨之放大，原有結(jié)構(gòu)的使用條件不可能與現(xiàn)在的使用條件完全相同，但可以根據(jù)原來使用的孔徑和視場及相差曲線的趨勢，推算出新的使用條件下的相差值等。（5） 檢查和調(diào)整間隔（中心厚或邊緣厚），以滿足工藝要求，必要時(shí)更換玻璃材料。（6） 上機(jī)計(jì)算。首先檢查焦距是否為

9、預(yù)想值，若相差太遠(yuǎn)，可復(fù)查縮放過程或原始值。再查其他值，或作像差矯正等。第三章 初始結(jié)構(gòu)的參數(shù)及曲線查閱光學(xué)設(shè)計(jì)手冊得到單雙物鏡的類似結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，參數(shù)如下：名稱光學(xué)性能結(jié)構(gòu)參數(shù)r/mmd/mmn單雙物鏡68.55-369.849.2-90.1665.31120.717.85.81.5163（K9）1.5163（K9）1.6475（ZF1）縮放后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，參數(shù)如下：名稱光學(xué)性能結(jié)構(gòu)參數(shù)r/mmd/mmn單雙物鏡75.405-406.7854.12-99.17671.84113.20.7719.586.381.5163（K9）1.5163（K9）1.6475（ZF1）選定視場角：w=4，0.707w

10、=2.828原始數(shù)據(jù)如下優(yōu)化前的Layouts (外形圖)優(yōu)化前的Ray Fan（光線曲線）優(yōu)化前的Optical Path Difference (OPD) Fans（光程差曲線）優(yōu)化前的MTF分析曲線第4章 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及曲線優(yōu)化函數(shù)設(shè)置設(shè)定默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)：選擇工具欄Editors Merit Function Tools Default Merit Function，在該選項(xiàng)框中選擇RMS, Spot Radius, Centroid, 其它項(xiàng)默認(rèn)即可，選擇確定。為避免焦距變化過大，將其確定為初始值，即設(shè)定有效焦距EFFL為100，權(quán)重為1。優(yōu)化后參數(shù)如下：優(yōu)化后的Layouts (外形圖)優(yōu)化后的Ray Fan（光線曲線）優(yōu)化后的Optical Path Difference (OPD) Fans（光程差曲線）優(yōu)化后的Spot Diagrams (點(diǎn)列圖)通過觀察圖像及數(shù)據(jù)，除去個(gè)別數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)誤差均有所減小，基本達(dá)到了優(yōu)化要求。第五章 學(xué)習(xí)心得光學(xué)設(shè)計(jì)課程結(jié)課已過去很長時(shí)間，重新學(xué)習(xí)起來稍有困難，在開始的前兩天通過上網(wǎng)查閱關(guān)于課程設(shè)計(jì)的資料，初步掌握縮放法的基本步驟，ZEMAX是設(shè)計(jì)給光學(xué)系統(tǒng)的專業(yè)軟件，仔細(xì)閱讀老師給的資料以及向周圍的同學(xué)的學(xué)習(xí)，慢慢地知道了設(shè)計(jì)的基本過程，光學(xué)系統(tǒng)看似簡單，其實(shí)是一門學(xué)問很深的課程，優(yōu)化的過程很是考驗(yàn)?zāi)土Γ驗(yàn)楦鞣N參數(shù)