光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(一)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（一）望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，加深對已學(xué)幾何光學(xué)、像差理論及光學(xué)設(shè)計(jì)基本知識(shí)、一般手段的理解，并能初步運(yùn)用；（2）介紹光學(xué)設(shè)計(jì)ZEMAX的基本使用方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通過ZEMAX來實(shí)現(xiàn)2 設(shè)計(jì)要求(1) 設(shè)計(jì)一個(gè)8倍開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡，焦距f=25mm，出瞳直徑D=4mm，出瞳距22mm，視場角2w=25；考慮與物鏡的像差補(bǔ)償，目鏡承擔(dān)軸外像差的校正，物鏡承擔(dān)軸上像差的校正。（總分：30分）（2）設(shè)計(jì)一個(gè)8倍開普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡，其焦距、相對孔徑D/f、視場角、像差補(bǔ)償要求根據(jù)設(shè)計(jì)（1）的要求來確定，要求給出計(jì)算過程。（總分：30分）（3）將上述物鏡與目鏡組合成

2、開普勒望遠(yuǎn)鏡，要求望遠(yuǎn)鏡的出射光束角像差小約3左右。如不符合要求，可結(jié)合ZEMAX中paraxial理想光學(xué)面，通過控制視覺放大倍率和組合焦距為無限大（如f）等手段。（總分：30分）（4）回答和分析設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題（總分：10分）所有設(shè)計(jì)中采用可見光（F，d，C）波段。問題1：望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)和開普勒望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)問題2：目鏡的光學(xué)特性和像差特點(diǎn)問題3：常用的目鏡有哪些？常用的折射式望遠(yuǎn)物鏡有哪些？問題4：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所需要校正的主要像差有那些？提示：目鏡采用反向光路設(shè)計(jì)，目鏡包括視場光闌，注意目鏡孔徑光闌的設(shè)置。判定出射光束角像差小約3左右的方法：在像面前插入一個(gè)paraxial類型的面，若該面焦距

3、（即與像面之間的距離）為1000mm，則Spot diagram 的Geo Radius則應(yīng)小1mm。3 設(shè)計(jì)流程 所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)使用要求，來決定滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，即決定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。因此我們可以把光學(xué)設(shè)計(jì)過程分為4個(gè)階段：外形尺寸計(jì)算、初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇、象差校正和平衡以及象質(zhì)評價(jià)。1) 外形尺寸計(jì)算在這個(gè)階段里要設(shè)計(jì)擬定出光學(xué)系統(tǒng)原理圖，確定基本光學(xué)特性，使其滿足給定的技術(shù)要求，即確定放大率或焦距、線視場或角視場、數(shù)值孔徑或相對孔徑、共軛距、后工作距、光闌位置等。一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式進(jìn)行外形尺寸計(jì)算。在計(jì)算時(shí)一定要考慮機(jī)械結(jié)

4、構(gòu)和電氣系統(tǒng)，以防止在機(jī)械結(jié)構(gòu)上無法實(shí)現(xiàn)。每項(xiàng)性能的確定一定要合理，過高要求會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果復(fù)雜造成浪費(fèi)，過低要求會(huì)使設(shè)計(jì)不符合要求，因此這一步驟必須慎重行事。本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)基本確定外形尺寸，只需通過計(jì)算求出所有需要的外形尺寸參數(shù)。2）初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇 初始結(jié)構(gòu)的確定常用以下兩種方法： 1.根據(jù)初級(jí)象差理論求解初始結(jié)構(gòu) 這種求解初始結(jié)構(gòu)的方法就是根據(jù)外形尺寸計(jì)算得到的基本特性，利用初級(jí)象差理論求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)，即確定系統(tǒng)各光學(xué)零件的曲率半徑、透鏡厚度和間隔、玻璃折射率和色散等。 利用初級(jí)象差理論求解的初始結(jié)構(gòu)，不僅對小孔徑小視場的光學(xué)系統(tǒng)非常有效，就是對于比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)也比任意選

5、擇的結(jié)構(gòu)更容易接近所求的解，使設(shè)計(jì)容易獲得成功。這是因?yàn)樵谇蠼膺^程中，要對各種象差進(jìn)行全面分析，對各種象差之間的關(guān)系有了全面了解，所以在象差校正時(shí)能夠做到總體平衡，不至于陷入象差的局部性校正。 2.從已有的資料中選擇初始結(jié)構(gòu)對于大視場和大孔徑及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，如廣角物鏡、大孔徑照相物鏡等，一般都從已有的技術(shù)資料和專利文獻(xiàn)中選擇其光學(xué)特性與所要求得相接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)。這是一種比較實(shí)用又容易獲得成功的方法。因此它被廣大光學(xué)設(shè)計(jì)者廣泛采用。但要求設(shè)計(jì)者對光學(xué)設(shè)計(jì)理論有深刻了解，并有豐富得設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能從類型繁多的結(jié)構(gòu)中挑選出簡單而又合乎要求的初始結(jié)構(gòu)。 初始結(jié)構(gòu)的選擇是透鏡設(shè)計(jì)的基

6、礎(chǔ)，選型是否合適關(guān)系到以后設(shè)計(jì)是否成功。一個(gè)不好的初始結(jié)構(gòu)，再好的自動(dòng)設(shè)計(jì)程序和有經(jīng)驗(yàn)得設(shè)計(jì)者也無法設(shè)計(jì)獲得成功。這也是本實(shí)驗(yàn)的重中之重，兩種方法均可選擇，采用方法一可選擇相關(guān)書籍（例如，電子工業(yè)出版社出版，張以謨主編的應(yīng)用光學(xué)）學(xué)習(xí)如何以初級(jí)象差求取光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。采用方法二，可在相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)手冊（例如，北京理工大學(xué)出版社出版，李士賢、鄭樂年編的光學(xué)設(shè)計(jì)手冊）中查找合乎要求的初始結(jié)構(gòu)。3）象差校正和平衡初始結(jié)構(gòu)選好后，要在電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行光路計(jì)算（本實(shí)驗(yàn)使用Zemax），或用象差自動(dòng)校正程序進(jìn)行象差自動(dòng)校正。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)畫出象差曲線，分析象差找出原因，再反復(fù)進(jìn)行象差校正和平衡，直到滿

7、足成像質(zhì)量要求為止。4）象質(zhì)評價(jià) 在設(shè)計(jì)過程中可用軸外象差等特性曲線來預(yù)估光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量。推薦相關(guān)參考書籍：實(shí)用光學(xué)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng) 張登臣 郁道銀 機(jī)械工業(yè)出版社現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法 袁旭滄 南京理工大學(xué)4 Zemax的基本使用本實(shí)驗(yàn)中所涉及的一些Zemax的使用主要包括如下：1） 編輯鏡頭數(shù)據(jù)打開Zemax軟件后，可看到如圖1界面，Lens Data Editor是鏡頭數(shù)據(jù)編輯器，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器是一個(gè)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(gè)面的曲率半徑、厚度、玻璃材料、孔徑尺寸。單透鏡由兩個(gè)面組成 (前面和后面)，物平面和像平面各需要一個(gè)面，這些

8、數(shù)據(jù)可以直接輸入到電子表格中。當(dāng)鏡頭數(shù)據(jù)編輯器顯示在顯示屏?xí)r，可以將光標(biāo)移至需要改動(dòng)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(gè)光學(xué)面(或一個(gè)光闌)。在初始狀態(tài) (除非鏡頭已給定) 通常顯示三個(gè)面：即物面、孔徑光闌面、像面。（關(guān)于鏡頭各項(xiàng)參數(shù)的Solves的使用，根據(jù)個(gè)人設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇，通常使用V、P兩種，若不設(shè)置則這項(xiàng)參數(shù)為固定值，詳細(xì)用法參考相關(guān)書籍和教程。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最后一個(gè)面(不含像面)的d值，即厚度的解的類型均設(shè)為Marginal Ray Height。）注意孔徑光闌的設(shè)置圖12）編輯評價(jià)函數(shù)選擇Editors下拉菜單中Meri

9、t Function可打開評價(jià)函數(shù)編輯器如下圖2。評價(jià)函數(shù)編輯器用來定義、修改和檢查系統(tǒng)的評價(jià)函數(shù)，評價(jià)函數(shù)用于按照各種邊界條件(包括各種象差、焦距等)來優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)。例如我們要求有效焦距為100mm，則可在評價(jià)函數(shù)中利用名為EFFL操作數(shù)對焦距進(jìn)行限定。評價(jià)函數(shù)編輯器中操作數(shù)也是可以直接選中編輯或者增減。根據(jù)需要按象差容限（象差公差）計(jì)算出各種象差的指標(biāo)，并通過評價(jià)函數(shù)中的操作數(shù)實(shí)現(xiàn)對象差的限定。比如本實(shí)驗(yàn)中，目鏡承擔(dān)校正軸外像差，物鏡承擔(dān)校正軸上像差。評價(jià)函數(shù)的詳細(xì)使用參考相關(guān)書籍和教程。圖2 3）設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)選定System下拉菜單中General選項(xiàng)，彈出如圖3界面，在Aperture

10、中有幾種方式設(shè)定系統(tǒng)光圈（包括F#，NA，aperture等）。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇Aperture的類型為Entrance Pupil Diameter（入瞳直徑）。圖3選定System下拉菜單中Field選項(xiàng)，彈出如圖4界面，在此可設(shè)定不同的視場。作為小視場光學(xué)系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求在繪制相差曲線時(shí)至少要計(jì)算邊緣光、帶光和近軸光三條光線。因此在設(shè)置視場時(shí)至少要設(shè)置三條光線。注意三個(gè)設(shè)計(jì)各自對應(yīng)的視場角。圖4選定System下拉菜單中Field選項(xiàng)，彈出如圖5的界面，在此可設(shè)定該系統(tǒng)通過的光的波長。本實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在可見光范圍內(nèi)，因此選擇（F，d，C）波長。在此可直接選擇常用波段圖54）優(yōu)化系統(tǒng)選定

11、tools-Optimization- Optimization,彈出如圖6界面，可按照編寫好的評價(jià)函數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù)的變量進(jìn)行優(yōu)化。圖65）實(shí)驗(yàn)中所需要繪制的圖形和有關(guān)像質(zhì)的評價(jià)均在Analysis菜單中可實(shí)現(xiàn)。5 設(shè)計(jì)報(bào)告5.1 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容要求每一項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)按順序包含下列數(shù)據(jù)：l 該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求（焦距、入瞳直徑、視場角、放大倍率、相對孔徑等），需計(jì)算的寫出計(jì)算過程l 透鏡Layout圖l 每一設(shè)計(jì)結(jié)果透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)、視場、孔徑等光學(xué)特性參數(shù)；(可選提交辦法：用菜單：Reports-Prescription data-setting-不選surface detail、multi-config data、solves/variables、global vertex、element volume，保存為txt文本文件，編輯刪除不必要的文字后，復(fù)制即可。)l 像質(zhì)指標(biāo)圖，包括光線像差(Ray aberration)、球差(Longitudinal aberration)、場曲和畸變(