雙膠合望遠鏡頭設計

1、 XX大學課程設計說明書 201X/201X 學年第 1 學期 學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： XXXXXXXX 學 生 姓 名： XXXXX 學 號： XXXXX 課程設計題目： 雙膠合望遠鏡頭設計 起 迄 日 期： 20XX年12月22日20XX年01月02日 課程設計地點： XX大學5院樓513、606 指 導 教 師： XXXX 職稱: 教授 目錄摘要.1關鍵詞.1第一章 課題要求1.1課題背景.21.2設計目的.21.3設計內容和要求.2第二章 方案分析2.1課題名稱.32.2主要數(shù)據(jù).32.3設計思路.32.4實現(xiàn)原理.32.5主要過程.4第三章 光學系統(tǒng)設計3.1光圈參數(shù)

2、設定.53.2視場參數(shù)設定.53.3波長設定.63.4玻璃厚度的設定.63.5像空間的設定.7第四章 光學系統(tǒng)分析4.1 2D光路分布草圖.74.2 標準點列圖Spot Diagram.84.3 光路圖OPD FAN.94.4 光線相差圖RAY FAN.104.5波前分布圖.11第五章 光學系統(tǒng)優(yōu)化5.1光學系統(tǒng)調焦.125.2設置可變參數(shù).135.3優(yōu)化函數(shù)設定.135.4最終優(yōu)化.14第六章 系統(tǒng)優(yōu)化前后比較6.1優(yōu)化后的2D草圖.156.2優(yōu)化后的標準點列.156.3優(yōu)化后光路圖.16第七章 心得體會心得體會.17摘要ZEMAX是一款多功能的光學設計軟件，可建立反射、折射、繞射等光學模型

3、，可以用來模擬、分析和輔助設計光學系統(tǒng)，并對光學系統(tǒng)進行優(yōu)化。雙膠合透鏡不僅有較好的橫向分辨率，而且有較高的軸向分辨率，能夠作為共焦3-D成像的一種理想光學元件，在光學領域得到了廣泛的應用。本次課程設計，我們將利用ZEMAX軟件設計一個雙膠合望遠鏡頭，展示利用ZEMAX設計、分析和優(yōu)化一個簡單光學系統(tǒng)的過程，進一步掌握該軟件。關鍵詞:ZEMAX 雙膠合望遠鏡頭 光學系統(tǒng)設計分析第一章 課題要求1.1課題背景隨著計算機技術的不斷進步和發(fā)展，在光學系統(tǒng)的設計過程中越來越多得利用到計算機技術，其中ZEMAX就是一款應用十分廣泛的的光學設計軟件，具有功能完善、操作簡單、準確性高、人機交互性好等特點，極

4、大地簡化了光學系統(tǒng)的設計過程。1.2 設計目的： 本次課程設計是在學習專業(yè)基礎課和專業(yè)課工程制圖基礎、C程序語言設計基礎、應用光學和精密儀器零件設計的基礎上，主要在光學儀器、程序設計實踐、光學設計計算與仿真等幾個方面開展實踐活動，鞏固所學知識、培養(yǎng)動手能力。1.3 設計內容和要求： 1) 掌握Zemax光學設計的軟件的使用方法； 2) 理解雙膠合透鏡的組成及其消色差、球差的原理； 3) 設計光源的波長為632.8nm,焦距為100mm，相對孔徑為1:5； 4) 給出透鏡的具體設計參數(shù)、波前分布、結構圖、評價函數(shù)、求差和點列圖。 5)參考五篇相關論文。第二章 方案分析2.1 課題名稱 雙膠合望遠

5、鏡頭設計2.2 主要數(shù)據(jù)（1） 透鏡的具體設計參數(shù)（2） 波前分布（3） 結構圖（4） 評價函數(shù)（5） 差和點列圖2.3 設計思路1、 查閱相關資料學習雙膠合透鏡的基本構造和原理；2、 了解ZEMAX光學軟件的基本功能并學習該軟件的基本操作；3、 利用ZEMAX進行鏡頭的初步設計并進一步熟悉該軟件的使用；4、 對光學系統(tǒng)進行進一步的分析和優(yōu)化，達到所定參數(shù)要求；2.4 實現(xiàn)原理 1、雙膠合透鏡的原理：單正透鏡具有負球差，單負透鏡具有正球差，所以單透鏡是不能校正球差的。在光焦度一定時，玻璃的阿貝數(shù)越大，色差越小，通常情況下，正透鏡產生負色差，負透鏡產生正色差，因此消色差的光學系統(tǒng)往往都是將正負透

6、鏡進行組合，以實現(xiàn)它們的色差互補。消色差雙膠合透鏡是一種把低分散的玻璃正透鏡和高分散的火石玻璃負透鏡粘接而成的消色差透鏡。設計時，在藍色（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)域使用。其球差在設計時也進行了優(yōu)化，和單個透鏡相比，消色差雙膠合透鏡的球差要小得多。使用于無限共軛狀態(tài)時，其球差最小，并且消色差雙膠合透鏡都鍍了可見光（400700 nm）用寬帶防反射多層膜。2、 望遠鏡鏡頭的原理：單透鏡物鏡色差和球差都相當嚴重，現(xiàn)代的折射望遠鏡常用兩塊或兩塊以上的透鏡組作物鏡。其中以

7、雙透鏡物鏡應用最普遍。它由相距很近的一塊玻璃制成的凸透鏡和一塊火石玻璃制成的凹透鏡組成，對兩個特定的波長完全消除位置色差，對其余波長的位置色差也可相應減弱，如圖1所示在滿足一定設計條件時，還可消去球差和彗差。由于剩余色差和其他像差的影響，雙透鏡物鏡的相對口徑較小，一般為1/15-1/20，很少大于1/7，可用視場也不大?？趶叫∮?厘米的雙透鏡物鏡可將兩塊透鏡膠合在一起，稱雙膠合物鏡 ，留有一定間隙未膠合的稱雙分離物鏡 。為了增大相對口徑和視場，可采用多透鏡物鏡組。對于伽利略望遠鏡來說，結構非常簡單，光能損失少。鏡筒短，很輕便。而且成正像，但倍數(shù)小視野窄，一般用于觀劇鏡和玩具望遠鏡。對于開普勒望

8、遠鏡來說，需要在物鏡后面添加棱鏡組或透鏡組來轉像，使眼睛觀察到的是正像。 圖1 消色差原理圖2.5 主要過程 研究課題原理分析設計透鏡參數(shù)熟悉ZEMAX軟件利用軟件設計光學系統(tǒng)系統(tǒng)的分析和優(yōu)化第3章 光學系統(tǒng)設計鏡頭數(shù)據(jù)編輯器是一個主要的電子表格，將鏡頭的主要數(shù)據(jù)填入就形成了鏡頭數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)中每一個面的曲率半徑、厚度、玻璃材料。單透鏡由兩個面組成 (前面和后面) ， 物平面和像平面各需要一個面，這些數(shù)據(jù)可以直接輸入到電子表格中。當鏡頭數(shù)據(jù)編輯器顯示在顯示屏時， 可以將光標移至需要改動的地方并將所需的數(shù)值由鍵盤輸入到電子表格中形成數(shù)據(jù)。每一列代表具有不同特性的數(shù)據(jù)， 每一行表示一個光學

9、面 (或一個)。移動光標可以到需要的任意行或列，向左和向右連續(xù)移動光標會使屏幕滾動，這時屏幕顯示其他列的數(shù)據(jù)，如半口徑，二次曲線系數(shù)，以及與所在的面的面型有關的參數(shù)。屏幕顯示可以從左到右或從與右到左滾動?！鄙戏摗焙汀毕路摗辨I可以移動光標到所在列的頭部或尾部。當鏡頭面數(shù)足夠大時，屏幕顯示也可以根據(jù)需要上下滾動。3.1 光圈參數(shù)設定 先打開ZEMAX軟件，根據(jù)設計要求修改系統(tǒng)設定,包括系統(tǒng)孔徑,鏡頭單 位，視場，和波長。 1.焦距為100mm；2.波長為0.6328um;3.光源為無窮遠處;4.像空間F/=4；5.前一塊玻璃為BAK1,后一塊玻璃為F3。根據(jù)要求的設計參數(shù)計算物方孔徑EPD。提

10、供的有效焦距efl為100mm，像空間F/=5 。 （1.1） 由公式（1.1）得物方孔徑EPD約等于20。 如圖2所示，在ZEMAX主菜單軟件中，選擇 系統(tǒng)> 通用配置，在彈出的對話框中，光圈類型選擇入瞳直徑，光圈數(shù)值選擇20，單位毫米。圖2光圈參數(shù)設定3.2 視場參數(shù)設定 在ZEMAX主菜單軟件中，選擇 系統(tǒng)> 視場，彈出對話框，如圖3所示，視場類型選擇角度，并輸入三組視場數(shù)據(jù)，(0, 0), (0, 3)和 (0, 5)。： 圖3 視場參數(shù)設定3.3 波長設定 如圖4所示，在ZEMAX主菜單軟件中，選擇 系統(tǒng)> 波長，在彈出的對話框中，選擇要求的波長0.6328um，單

11、擊確定完成配置。圖4 波長設定系統(tǒng)配置完畢，即可在LDE中輸入數(shù)據(jù)。3.4 玻璃厚度的設定 添加鏡面，設計要求雙膠合鏡頭，所以添加2個鏡面，如圖5所示，在鏡面編輯窗口中選擇 編輯 > 插入曲面。曲面插入完畢，即可向鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口寫入鏡頭數(shù)據(jù)。設計要求第一塊鏡面材料BAK7第二塊鏡面材料為F3。在glass窗口中寫入材料的類型。在Thickness欄中填入玻璃厚度。圖5 玻璃厚度的設定3.5 像空間的設定如圖6所示，設定像空間數(shù)據(jù)，使用求解去執(zhí)行設計約束，設置像空間F/#為恒定值5。圖6 像空間的設定第四章 光學系統(tǒng)的分析4.1 2D光路分布草圖 步驟：選擇分析>草圖>2D草

12、圖，將出現(xiàn)2D草圖LAYOUT。 目的：顯示光線的大致傳播路徑。 點擊“生成DXF文件”按鈕將產生一個2D DXF 文件，并將它存儲起來。它的文件名用“DXF 文件”處輸入的文件名確定。如圖7所示，DXF文件是由弧和線組成，弧用來顯示鏡頭面的曲率。如果是只使用球面 (或平面)的透鏡，那么弧可以完全的表示鏡頭。但是，弧只能近似的表示非球面。如果面是非球面，那么弧只有在頂點，最高點和最低點是正確的。ZEMAX 在這三個地方用適合的弧表示確切的面。若光線未能射入到一個面，那么在發(fā)生該錯誤的面光線不畫出。如夠光線發(fā)生全反射，那么在發(fā)生全反射的面入射的光線畫出，出射的光線不畫出。圖7 2D光路分布草圖4

13、.2 標準點列圖Spot Diagram 步驟：選擇分析>點列圖>標準，將出現(xiàn)標準點列圖Spot Diagram。 目的：光線密度有一個依據(jù)視場數(shù)目，規(guī)定的波長數(shù)目和可利用的內存的最大值。離焦點列圖將追跡標準點列圖最大值光線數(shù)目的一半光線。列在曲線上的每個視場點的GEO 點尺寸是參考點（參考點可以是主波長的主光線，所有被追跡的光線的重心，或點集的中點）到距離參考點最遠的光線的距離。如圖8所示，GEO 點尺寸是由包圍了所有光線交點的以參考點為中心的圓的半徑。RMS 點尺寸是徑向尺寸的均方根。先把每條光線和參考點之間的距離的平方，求出所有光線的平均值，然后取平方根。點列圖的RMS 尺寸

14、取決于每一根光線，因而它給出光線擴散的粗略概念。 圖8 標準點列圖Spot DiagramGEO點尺寸只給出距離參考點最遠的光線的信息。艾利圓環(huán)的半徑是1.22 乘以主波長乘以系統(tǒng)的F/# ，它通常依賴于視場的位置和光瞳的方向。對于均勻照射的環(huán)形入瞳，這是艾利圓環(huán)的第一個暗環(huán)的半徑。艾利圓環(huán)可以被隨意的繪制來給出圖形比例。在點列圖中，ZEMAX 不能畫出攔住的光線，它們也不能被用來計算RMS 或GEO 點尺寸。ZEMAX 根據(jù)波長權因子和光瞳變跡產生網(wǎng)格光線。有最大權因子的波長使用由“Ray Density”選項設置的最多光線的網(wǎng)格尺寸。有最小權因子的波長在圖形中設置用來維持正確表達的較少光線

15、的網(wǎng)格。如果變跡被給定，光線網(wǎng)格也被變形來維持正確的光線分布。位于點列圖上的RMS 點尺寸考慮波長權因子和變跡因子。但是，它只是基于光線精確追跡基礎上的RMS 點尺寸的估算。在某些系統(tǒng)中它不是很精確。像平面上參考點的交點坐標在每個點列圖下被顯示。如果是一個面被確定而不是像平面，那么該坐標是參考點在那個面上的交點坐標。既然參考點可以選擇重心，這為重心坐標的確定提供了便利的途徑。4.3 光路圖 OPD FAN 步驟：選擇分析>特性曲線>光路，將出現(xiàn)光路圖OPD FAN。 目的：是顯示用光瞳坐標函數(shù)表示的光程差。垂軸刻度在圖形的下端給出。如圖9所示，繪圖的數(shù)據(jù)是光程差，它是光線的光程和主

16、光線的光程的差，通常，計算以返回到系統(tǒng)出瞳上的光程差為參考。 每個曲線的橫向刻度是歸一化的入瞳坐標。若顯示所有波長，那么圖形以主波長的參考球面和主光線為參照基準的。若選擇單色光那么被選擇的波長的參考球面和主光線被參照。由于這個原因，在單色光和多色光切換顯示時，非主波長的數(shù)據(jù)通常被改變。圖9 光路圖OPD FAN4.4 光線相差圖RAY FAN 步驟：選擇分析>特性曲線>光線像差，將出現(xiàn)光線像差圖RAY FAN。 目的：顯示作為光瞳坐標函數(shù)的光線像差。 橫向特性曲線是用光線的光瞳的y 坐標的函數(shù)表示的橫向光線像差的x 或y 分量。缺省選項是畫出像差的y 分量曲線。但是由于橫向像差是矢

17、量，它不能完整的描述像差。 當ZEMAX 繪制y 分量時，曲線標稱為EY， 當繪制x 分量時，曲線標稱為EX。垂軸刻度在圖形的下端給出。如圖10所示，繪圖的數(shù)據(jù)是光線坐標和主光線坐標之差。橫向特性曲線是以光瞳的y 坐標作為函數(shù)，繪制光線和像平面的交點的x 或y 坐標和主波長的主光線x 或y 坐標的差。圖10 光線像差圖RAY FAN弧矢特性曲線是以光瞳的x 坐標作為函數(shù)，繪制光線和像平面的交點的x或y 坐標和主波長的主光線x 或y 坐標的差。 每個曲線圖的橫向刻度是歸一化的入瞳坐標 PX 或PY。若顯示所有波長，那么圖形參考主波長的主光線。若選擇單色光那么被選擇的波長的主光線被參照。由于這個原

18、因，在單色光和多色光切換顯示時，非主波長的數(shù)據(jù)通常被改變。因為像差是有x 和y 分量的矢量，光線像差曲線不能完全描述像差，特別是像平面傾斜或者系統(tǒng)是非旋轉對稱時。另外，像差曲線僅僅表示了通過光瞳的兩個切面的狀況，而不是整個光瞳。像差曲線圖的主要目的是判斷系統(tǒng)中有哪種像差，它并不是系統(tǒng)性能的全面描述，尤其系統(tǒng)是非旋轉對稱時。4.5 波前分布圖 步驟：選擇分析>波前>波前列表，將出現(xiàn)波前分布圖。目的：顯示光波透過透鏡后的傳播路徑。 如圖11所示，波前面是某時刻剛剛開始位移的質點構成的面。它代表某時刻波能量到達的空間位置，它是運動著的。波前與射線成正交。因此，使用射線或波前來研究波是等效

19、的。根據(jù)波前的形狀一般可以把波分為球面波、平面波，柱面波等。同一波陣面上各點的振動相位相同。它表示了光標經過透鏡后的傳播的狀態(tài)。圖11 波前分布圖第五章 光學系統(tǒng)優(yōu)化5.1 光學系統(tǒng)調焦步驟：選擇工具 > 雜項 > 快速對焦 ，在彈出的窗口中點選以像平面上光線的重心為參照計算選項。目的：通過調整后截距對光學系統(tǒng)快速調焦。從2D草圖可以看出，鏡頭的性能參數(shù)并非最優(yōu)，原因是像平面的位置并未確定，ZEMAX提供自動對焦的工具，如圖12所示，選擇輻射狀向斑點大小來進行快速對焦。圖12 光學系統(tǒng)快速調焦本功能調整像平面前面的厚度。厚度是依照RMS 像差最小化的原則選擇的。最佳調焦位置與標準的

20、選擇有關。RMS 用定義的視場，波長和權因子計算整個視場的多色光的平均值。5.2 設置可變參數(shù) 步驟：在ZEMAX主菜單軟件中，選擇 編輯> 優(yōu)化函數(shù)，在彈出的窗口中選擇 工具 > 默認優(yōu)化函數(shù)。完成后進行進一步優(yōu)化，建立默認的評價函數(shù)。設置可變參數(shù)。 目的：評價函數(shù)是一個如何使一個光學系統(tǒng)接近一組指定的目標的數(shù)值表示。如圖13所示，設定可變參數(shù)，即可創(chuàng)建默認評價函數(shù)DMF。圖13 設置可變參數(shù) ZEMAX 使用了一系列操作數(shù)，它們分別代表系統(tǒng)不同的約束和目標。操作數(shù)代表的目標如像質，焦距，放大率，和其他一些。定義一個評價函數(shù)的最容易的方法就是在評價函數(shù)編輯界面的菜單條中選擇工具，默認評價函數(shù)選項，這時出現(xiàn)一個對話框，這將允許你選擇一些選項來構建默認評價函數(shù)。5.3 優(yōu)化函數(shù)設定如圖14所示，玻璃邊緣厚度填入最小2mm，最大12mm。點確定后，評價函數(shù)編輯窗口出現(xiàn)優(yōu)化函數(shù)。MTF 操作數(shù)可正確地計算出像由分析，衍射菜單選項得到的圖形一樣的完整的衍射或幾何MTF 值。因此，那些MTF 曲線圖中產生非法數(shù)據(jù)的系統(tǒng)在優(yōu)化過程中也將產生沒有意義的數(shù)據(jù)。圖14