簡單望遠物鏡設計.doc

電氣工程學院課程設計說明書設計題目： 簡單望遠物鏡設計 系 別： 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 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：王志斌學號學生姓名（專業(yè)）班級設計題目簡單望遠物鏡的設計設計技術參數焦距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。設計要求計算望遠物鏡的各個參數；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應完成內容6.20-6.21計算設計雙膠合透鏡的各個參數6.22-6.23上機進行優(yōu)化設計，確定最后的設計結構6.28答辯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 教務科目錄第一章 設計要求1第二章 設計方法和ZEMAX軟件12.1設計方法12.2 ZEMAX軟件介紹2第三章 設計過程33.1 P、W法計算初始結構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18緒論 在薄透鏡組中，應用最多的是雙膠合透鏡，因為它是能夠滿足一定的P、W、C的最簡單的結構形式。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透鏡粘接而成的透鏡。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)域內使用。其球差在設計時也進行了優(yōu)化，和單個透鏡相比，雙膠合透鏡的球差要小的多。使用于無限遠共軛狀態(tài)時，其球差最小。摘要 光學系統(tǒng)的初始結構計算通常采用以下兩種方式：即代數法（解析法）和縮放法。代數法是根據初級相差理論來求解滿足成像質量要求的初始結構的方法，又稱PW法; 而縮放法是根據已有光學技術資源和專利文獻，選擇其光學特性與所要求的相接近的結構作為初始結構的方法。ZEMAX是美國Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學設計軟件，可做光學組件設計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學模型，并結合優(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 設計要求： 設計一個焦距為500mm，相對孔徑為1:10的望遠物鏡，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 設計方法和ZEMAX軟件2.1設計方法：任何光學系統(tǒng)或光組的像差參量表達式均可分為兩部分：一部分稱為內部參數，是指光組各個折射面的曲率半徑r、折射面間的間隔d和折射面間介質折射率n；另一部分參數稱為外部參數，是指物距l(xiāng)、焦距f、半視場角w和相對孔徑D/f等。 P,W不僅和內部參數有關，而且也和外部參數有關,成為內部參數與外部參數的橋梁。光學系統(tǒng)的初始結構計算通常采用以下兩種方式：即代數法（解析法）和縮放法。代數法是根據初級相差理論來求解滿足成像質量要求的初始結構的方法，又稱PW法；而縮放法是根據已有光學技術資源和專利文獻，選擇其光學特性與所要求的相接近的結構作為初始結構的方法。雙膠合玻璃透鏡的結構參數的計算步驟如下：（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： 本次課設主要采用解析法（PW法）計算雙膠合透鏡的初始結構參數。2.2 ZEMAX軟件介紹： ZEMAX是美國Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學設計軟件，可做光學組件設計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學模型，并結合優(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設計仿真軟件，它將實際光學系統(tǒng)的設計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。ZEMAX 不只是透鏡設計軟件而已，更是全功能的光學設計分析軟件， 具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點，與其它軟件不同的是 ZEMAX 的 CAD 轉文件程序都是雙向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可轉入及轉出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)， ZEMAX光學設計程序是一個完整的光學設計軟件，是將實際光學系統(tǒng)的設計概念，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設計仿真軟件。包括光學設計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學系統(tǒng)進行設計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。ZEMAX功能強大，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 能夠在光學系統(tǒng)設計中實現(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， 就能夠實現(xiàn)互動設計。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行了解釋，對設計過程和各種功能進行了描述。 ZEMAX目前已經是被光電子領域熟知的光學設計的首選軟件。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，這款軟件已經被廣大的應用在設計顯示系統(tǒng)，照明，成像的使用系統(tǒng)，激光系統(tǒng)以及漫射光的設計應用方面。 ZEMAX 有三種不同的版本：ZEMAX-SE（標準版）；ZEMAX-XE（擴展版）；ZEMAX-EE（工程版）。第三章 設計過程：3.1 P、W法計算初始結構（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。根據設計要求，設像差的初級量為零，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行計算。取,并將和的值代入上式，得：（4）、根據和從附錄1查玻璃組合。由于K9玻璃性能好而且熔煉成本地，因此應優(yōu)先選用。可選它和玻璃組合，當時，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為：, ,并取A=2.44.K=1.72（5）、求形狀系數： 由于，不存在嚴格的消像差解，但因值接近于，可認為，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)結構數據整理如下：，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。光學系統(tǒng)初始計算得到結果以后，必須把薄透鏡換成厚透鏡，其步驟如下： 光學零件外徑的確定。根據設計要求和，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。具體結構如圖（1）所示。根據上面公式，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據代入可求得， 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，由式和式可知當和不變時，、在變換時可保持不變，放大率亦保持不變。當透鏡由薄變厚時，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，透鏡組的全部結構參數都可以用作優(yōu)化變量參與優(yōu)化。本次課設主要是對透鏡的曲率半徑進行優(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，它唯一地表征了一個光學系統(tǒng)的成像質量。該評價函數的值越小，光學系統(tǒng)的成像質量就越好；評價函數的值越大，光學系統(tǒng)的成像質量就越差。評價函數定義的越合理，就越能真實地表征光學系統(tǒng)的成像質量。 (1)光學特性參數孔徑：視場波長評價函數（2）初始結構像質評價報告圖鏡頭數據綜合誤差（Ray）光程差（Opd）點列圖（Spt）場曲與畸變（Fcd）光學傳遞函數（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，像質不好，需進一步優(yōu)化。（3）優(yōu)化后像質評價報告圖鏡頭數據綜合誤差（Ray）光程差（Opd）點列圖（Spt）場曲與畸變（Fcd）光學傳遞函數（Mtf）像點能量分布圖（Enc）（4）、優(yōu)化后的結構參數為：玻璃牌號第四章 像差分析： 優(yōu)化前的像差都比較大，成像質量不理想，所以需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化。一般來說，系統(tǒng)中的每一個結構參數都可以作為優(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。經優(yōu)化后的透鏡結構像差容限 1）球差公差 式中取550nm，經計算知所得求得的球差符合設計要求。 2）彗差公差小視場光學系統(tǒng)的彗差通常用相對彗差來表示，其公差值根據經驗取 3） 色差公差 通常?。?經檢驗像差數據符合設計要求。心得體會：通過這次課程設計，讓我們對所學的光學知識有了進一步的認識，了解了光學系統(tǒng)設計的基本步驟，學習了一款新的光學設計軟件ZEMAX，并自己動手設計出了雙膠合透鏡的鏡片。剛開始，我們對設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，只有對著以前的設計課題，慢慢的探索和練習。之后再是對我們課題進行慢慢的細細研究，終于有了點思路，即先分析設計的要求，按PW方法求出其初始結構，ZEMAX系統(tǒng)軟件提供了一個自動優(yōu)化功能，我們可在人為設計完成后進行自動優(yōu)化，在把優(yōu)化后的和未優(yōu)化之前的進行比較，我們可以看到，經過優(yōu)化后的圖像更加優(yōu)美和科學性。在設計過程中，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，在調試過程中很難達到理想狀態(tài)，只好通過調整曲率半徑來滿足要求。調制傳遞函數基本符合要求，但也不是很理想，應加以改進。雖然設計成果很不令人滿意，但是，在此過程中我明白了光學設計這一學科學習的關鍵之處，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的結果，這是我在此課設過程中感悟到的最深刻的理解，相信這對我今后的學習生活會有很大幫助。最后感謝王志斌老師在課設過程中給予我的悉心指導與幫助，使我能夠成功的完成本次課設！參考文獻： 1、劉鈞，高明編著，光學設計，2006，西安電子科技大學出版社，第75頁到第90頁、第244頁到259頁。2、光學儀器