基于卡塞格林系統(tǒng)的望遠物鏡設計(ZEMAX)

1、南通大學課程設計論文 工程光學課程設計報告 題目f=1200的望遠物鏡設計班 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 指導教師： 報告日期： 目錄摘 要1第一章 緒論21.1課程設計題目21.2 設計要求2第二章 望遠物鏡的設計與相關參數(shù)32.1 望遠物鏡的主要參數(shù)32.2 望遠物鏡結構類型42.3 物鏡的光學特性52.3 卡塞格林光學系統(tǒng)62.4 ZEMAX中的像質評價方法7第三章 設計與優(yōu)化103.1設計過程103.2優(yōu)化過程13第四章 運用Solid works對鏡片進行繪制17第五章 新得與體會18主要參考文獻19II26南通大學課程設計論文摘 要由薄透鏡組的初級像差理論入手，根據(jù)初級像差

2、參量PW與透鏡折射率n、孔徑半徑r、厚度d等關系，求出了滿足初始設計的結構參數(shù)的透鏡折射率n、孔徑半徑r、厚度d、形狀系數(shù)Q、曲率p。用光學設計軟件ZEMAX對所求的結構參數(shù)進行了優(yōu)化。光學設計要完成的工作包括光學系統(tǒng)設計和光學結構設計。所謂光學設計就是根據(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)，即設計出光學系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸、各光組的結構等。大體可以分為兩個階段。第一階段根據(jù)儀器總體的要求，從儀器的總體出發(fā)，擬定出光學系統(tǒng)原理圖，并初步計算系統(tǒng)的外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學特性等。第二階段是根據(jù)初步計算結果，確定每個透鏡組的具體結構參數(shù)，以保證滿足系統(tǒng)光學特性和成像

3、要求。這一階段的設計成為“相差設計”，一般簡稱光學設計。 評價一個光學系統(tǒng)的好壞，一方面要看它的性能和成像質量，另一方面要系統(tǒng)的復雜度。一個系統(tǒng)設計的好壞應該是在滿足使用要求的情況下，結構設計最簡單的系統(tǒng)。ii第一章 緒論1.1課程設計題目基于卡塞格林的望遠物鏡設計1.2 設計要求（1） 入瞳直徑：D=20mm；（2） 相對孔徑D/f=1/6.15;（3） 視場角2=7°；（4） 在可見光波段設計（取d、F、C三種色光。d為主波長）；（5） MTF值在67lp/mm處大于0.40；（6） 要求給出用ZEMAX優(yōu)化減小球差和軸向色差的方法。第二章 望遠物鏡的設計與相關參數(shù)2.

4、1 望遠物鏡的主要參數(shù)1. 出瞳直徑：光線經(jīng)過目鏡匯聚后，在目鏡后形成的亮斑的直徑；2. 出瞳距離：出瞳到目鏡最后一個表面的距離就是出瞳距離；3. 放大率：望遠鏡的放大率是指視放大率，視放大率是指當人眼分別通過望遠系統(tǒng)觀察和直接觀察同一物體時，在人眼視網(wǎng)膜上成像的大小之比，即；4. 視場：望遠鏡的視場是指人眼通過該儀器所能見到的物空間的最大范圍，用所能見到的物空間最大范圍的邊緣向入瞳中心所引的張角的角度值來表示望遠鏡的物方視場，像方視場用像空間的邊緣向出瞳中心所引的張角的角度值來表示；5. 通光孔徑:限制通過望遠鏡光能的圖形框子（一般是物鏡框）叫做入射瞳孔（簡稱入瞳），亦即望遠鏡物鏡的通光孔徑

5、D。6.分辨率：望遠鏡的分辨率用它所能分辨的物方無限遠兩個物點對望遠鏡物鏡中心的張角表示（單位：秒）。望遠鏡的分辨率直接與入射瞳孔直徑有關。入射瞳孔直徑（一般為物鏡通光孔徑）越大，望遠鏡分辨率就越高，觀察的物體就越清晰。7.透過率：望遠鏡的透過率影響所觀察物體的亮度。透過率與多種因素（如玻璃對光的吸收，光學表面透射時的反射損失，光散射等）有關。特別是光學表面透射時的反射損失對透過率影響最大同時也影響成像清晰度。因此，望遠鏡的光學鏡片與空氣接觸的表面都要渡減反射膜（增透膜）。鍍的膜系不同望遠鏡的透光效果會不一樣（單層透過率約50%、雙層透過率約65%、多層膜透過率可達85%以上），以鍍寬帶增透膜

6、效果最佳。但考慮價格因素一般只在光學零件數(shù)目較多或在較高檔的望遠鏡中鍍制寬帶增透膜。判別一個望遠鏡的透過特性，可以觀察鏡片反光情況，若反光嚴重，則透光差，成像就模糊。2.2 望遠物鏡結構類型望遠物鏡分折射式、反射式和折反射式三類1、 折射式物鏡折射式物鏡種類很多，主要有雙膠合、雙膠合-單、單-雙膠合、三分離、對稱和攝遠6種。其主要光學特性、特點如下：（a） 雙膠合：視場為210°，不同焦距適用的最大相對孔徑f/為：50/、150/、300/、1000/。（b）雙膠合-單：相對孔徑D/f為1/31/2，透鏡口徑D100mm，視場角25°。（c）單-雙膠合相對孔徑D/f為1/3

7、1/2.5，透鏡口徑D小于100mm，視場角25°。（d）三分離相對孔徑D/f為1/21/1.5，視場角24°。（e）對稱式物鏡：適合于短焦距、大視場、小相對孔徑使用，f50，D/f1/5,230°。（f）攝遠（一）：由正、負兩個分離薄透鏡組構成，系統(tǒng)長度小于焦距，系統(tǒng)的相對孔徑受前組相對孔徑的限制。（g）攝遠物鏡（二）：由雙膠合-厚彎月構成。2、 反射式和折反射式物鏡反射式和折反射式物鏡在大孔徑、長焦距的望遠系統(tǒng)中采用。雙反射面系統(tǒng)是應用較多的反射式物鏡，主要有三種形式：一是卡塞格林系統(tǒng)，其主鏡（大反射鏡）是拋物面，副鏡（小反射鏡）是雙曲面，成倒像，鏡筒短；二是

8、格里果里系統(tǒng)，其主鏡仍是拋物面，副鏡是橢球面，成正像，鏡筒長。三是牛頓系統(tǒng)：它是由一個拋物面主鏡和一塊與光軸成45°的平面反射構成。拋物面能把無限遠的軸上點在它的焦點成一個理想的像點。第二個平面反射鏡同樣能理想成像。折反射系統(tǒng)是卡塞格林系統(tǒng)的改進。它是由球面主鏡和校正透鏡（又稱校正板）組成。2.3 物鏡的光學特性2.3.1相對孔徑不大在望遠系統(tǒng)中，入射的平行光束經(jīng)過系統(tǒng)后仍為平行光束，因此物鏡的相對孔徑（D/f）和目鏡的相對孔徑（D/f）是相等的。目前觀察望遠鏡的出瞳直徑D一般為4毫米左右，出瞳距離l一般要求為20毫米左右。為了保證出瞳距離，目鏡的焦距f一般不能小于25毫米。這樣目鏡

9、的相對孔徑為，所以望遠物鏡的相對孔徑一般小于。2.3.2 視場角較小望遠物鏡的視場角和目鏡的視場角，以及系統(tǒng)的視放大率之間關系為：，目前常用的目鏡視場2大多在70°以下，這就限制了物鏡的視場，通常望遠物鏡的視場不大于10°。2.3 卡塞格林光學系統(tǒng) 傳統(tǒng)的”卡塞格林望遠鏡有拋物面鏡的主鏡，和雙曲面的次鏡將光線反射并穿過主光學望遠鏡 鏡中心的孔洞，折疊光學的設計使鏡筒的長度緊縮。在小望遠鏡和照相機的鏡頭，次鏡通常安裝在封閉望遠鏡鏡筒的透明光學玻璃板上的光學平臺。這樣的裝置可以消除蜘蛛型支撐架造成的"星狀"散射效應。封閉鏡筒雖然會造成集光量的損失，但鏡筒可以

10、保持干凈，主鏡也能得到保護。 它利用雙曲面和拋物面反射的一些特性，凹面的拋物面反射鏡可以將平行于光軸入射的所有光線匯聚在單一的點上焦點；凸面的雙曲面反射鏡有兩個焦點，會將所有通過其中一個焦點的光線反射至另一個焦點上。這一類型望遠鏡的鏡片在設計上會安放在共享一個焦點的位置上，以便光線能在雙曲面鏡的另一個焦點上成像以便觀測，通常外部的目鏡也會在這個點上。拋物面的主鏡將進入望遠鏡的平行光線反射并匯聚在焦點上，這個點也是雙曲線面鏡的一個焦點。然后雙曲面鏡將這些光線反射至另一個焦點圖 2.3.12.4 ZEMAX中的像質評價方法2.4.1 光扇圖由任一物點發(fā)出的不同孔徑高的光線組分別在子午面內和弧矢面內

11、，形成了子午形光線與弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述跟像差有關的像質指標，可統(tǒng)稱為Fans。共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三種。2.4.2點列圖反映任一物點發(fā)出充滿入瞳的光錐，在像面上的交點彌散情況；通常以主光線與像面交點為原點，進行量化計算點列圖的彌散情況，ZEMAX在此基礎上，還給出以虛擬的“質心”、“平均”為原點的量化點列圖。圖 2.4.22.4.3 MTF調制傳遞函數(shù)既與光學系統(tǒng)的像差有關，又與光學系統(tǒng)的衍射效果有關，是光學傳遞函數(shù)（OTF）的模，曲線橫軸表示像面上的空間頻率，單位為1/mm，即每毫米多少對線，縱軸表示對

12、這些黑白細實線物分辨的調制度；物理含義：應用傅里葉變換原理與光學系統(tǒng)相干成像理論，計算出鏡頭對逐漸變細的黑白線對分辨的調制度。圖 2.4.32.4.4 點擴散函數(shù)PSF-Point Spread Function,反映點物經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，因像差或衍射在像面上造成的擴散情況，橫軸為像面上的線性尺度，縱軸為歸一化能量（強度）分布；2.4.5波像差可用于小像差光學系統(tǒng)和大像差光學系統(tǒng)，同時因有瑞利標準（波像差小于/4波長，鏡頭系統(tǒng)成像質量接近理想），使波像差評價像質易被量化，只是對大像差系統(tǒng)時，可將波像差容限取成2-4倍的瑞利標準；波像差與視場有關，由一個視場物點發(fā)出充滿入瞳面的光線，相當于一個球面

13、波入射，經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，出射波面因像差的存在發(fā)生形變，表示存在波像差。圖 2.4.5第三章 設計與優(yōu)化3.1設計過程卡塞格林系統(tǒng)由一個拋物面/雙曲面主鏡和一個雙曲面副鏡構成，結構如下圖3.1.1隨著各種光學系統(tǒng)的要求不同，卡塞格林系統(tǒng)的結構會有一些調整，為了校正場曲、象散和畸變，會在像面前加入幾塊透鏡來校正這些像差。根據(jù)設計要求，視場角2=1mrad，D=f/10=120，經(jīng)過查找，找到如下結構圖：面型曲率半徑厚度玻璃半口徑Conic標準-742.8572-260Mirror78-1.0462標準-290.2328471.7171Mirror22.5658-2.9150標準-55.22977.

14、5SF11180標準-118.49815180 表3.1.1其視場角是0度的，與要求有點差別。我們將以上結構參數(shù)輸入到ZEMAX軟件中，同時注意主鏡中有個中心開孔，這個開孔在輸入的時候可以采用光闌面設置成不透光的形式來隔離掉光線進入光學系統(tǒng)，得到如下的結構。Surf：TypeCommentRadiusThicknessGlassSemi-DiameterConicOBJInfinityInfinity0.0000.0001*Infinity265.00026.0000.000STO-74.857260.000MIRROR78.000-1.0463-290.232471.717MIRROR22.

15、565-2.9154-55.2297.500SF11180.0005-118.4985.00180.000IMAInfinity-5.33E-0050.000 表3.1.2又根據(jù)要求，后截距要求為200mm，但是如圖3.1.2所示，與要求不符合圖3.1.2對于系統(tǒng)焦距進行設置，如圖3.1.3圖3.1.3根據(jù)前面的視場角和入瞳，在ZEMAX中輸入數(shù)據(jù)，如圖3.1.4,3.1.5圖3.1.4圖3.1.5輸入波長：圖3.1.6題目要求后截距為200mm，將第二個面的conic設置為-1圖3.1.73.2優(yōu)化過程經(jīng)過前面設置，卡塞格林系統(tǒng)已初步形成，現(xiàn)在要進行優(yōu)化與改進。根據(jù)物鏡庫的數(shù)據(jù)：圖3.2.1

16、打開優(yōu)化函數(shù)，選擇模式的方式，進行如下的設置：圖3.2.2之后，在Lens Data Editor中將各個鏡片的曲率和厚度都改成變量，記住控制最后一個鏡片面的曲率半徑，讓其控制F數(shù)的值不變。Surf：TypeCommentRadiusThicknessGlassSemi-DiameterConicOBJInfinityInfinityInfinity0.0001*Infinity181.38260.0900.000STO-505.458-177.950MIRROR60.001-1.0463-198.653322.873MIRROR18.148-2.9154-37.8025.120SF1112.

17、3200.0005-81.107200.00012.3200.000IMAInfinity-12.1310.000表3.2.1得到MTF圖如圖3.2.3：圖3.2.3根據(jù)MTF圖像，還需要進一步優(yōu)化。我們在優(yōu)化函數(shù)表給中加入EFFL、WFNO和MTFA來分別控制系統(tǒng)焦距，F(xiàn)數(shù)和MTF值。Oper #TypeSampWaveFieldFreqGridTargetWeight1MTFAMTFA1026700.4001.0002WFNOWFNO10.0001.0003EFFLEFFL21200.0001.0004DMFSDMFS表3.2.2進行優(yōu)化之后，結構會產(chǎn)生畸變，應該增加透鏡，在SF11后面加

18、上一個K9玻璃，在這里我們需要設定一個差不多的厚度讓光線能夠追跡同時調整主鏡的遮光比。Surf：TypeCommentRadiusThicknessGlassSemi-DiameterConicOBJInfinityInfinityInfinity0.0001*Infinity195.00060.0970.000STO-531.920-183.471MIRROR60.001-1.0003-221.745147.540MIRROR18.763-2.9154*-495.8941.700SF1112.3200.0005*-380.0001.499K912.0000.0006*-4636.809-20

19、0.00012.3200.000IMAInfinity0.60230.000表3.2.3優(yōu)化過后，得到如圖3.2.4：圖3.2.4設置MTF在671p/mm的值如圖3.2.5所示：圖3.2.5MTF值在671p/mm處大于0.4，符合設計要求，設計完畢?？ㄈ窳窒到y(tǒng)的3D圖像如圖3.2.6所示：圖 3.2.6卡塞格林系統(tǒng)的設計至此完成，就該設計感覺可改進的地方：1是否可以用兩片鏡片完成題目要求而不用加一塊鏡片2MTF值在671p/mm處剛剛大于0.4，是否可以改進使得在671p/mm處的MTF值更大一點3像差比較大，可以進行優(yōu)化第四章 運用Solid works對鏡片進行繪制第五章 心得與體會

20、通過這次工程光學課程設計的學習，讓我對以前所學的光學知識有了更深刻的理解，兩個多月的時間充實而又有益，學習到了兩款軟件ZEMAX以及Solid Works，并動手設計出了卡塞格林光學系統(tǒng)的望遠物鏡。剛開始拿到這個題目，對于怎樣入手毫無頭緒，尤其是抽到了比較特殊的兩鏡系統(tǒng)卡塞格林系統(tǒng)，于是到圖書館和上網(wǎng)查閱了有關資料，仔細閱讀了資料以及向周圍同學請教，看了以前做的ZEMAX相關的例題，才對卡塞格林系統(tǒng)有了初步的了解，但是對于怎樣計算各個參數(shù)還是一竅不通。之后通過翻閱光學非球面的加工設計與檢驗，知道怎樣計算各個參數(shù)，之后才是運用ZEMAX對光學系統(tǒng)進行設計與加工。ZEMAX是最近才接觸到的軟件，所

21、以在制作過程中也遇到了不少困難，因為是英文軟件，所以許多菜單上的意思都看不懂，需要通過網(wǎng)絡來翻譯，之后要按照給定的要求，一步一步進行，比如進行缺省函數(shù)的建立就遇到了不少困難，不過最后還是通過網(wǎng)絡完成了缺省函數(shù)的建立。但是由于人為設計導致最后的結果很可能不是最佳的，ZEMAX的自動優(yōu)化功能可以幫助我達到題目所給的要求。不過做出的結果仍有許多不足，以后還要經(jīng)過不斷地學習使得結果更加完美。當然，態(tài)度也很重要，把自己設計的經(jīng)過寫入Word文檔也需要規(guī)范格式，前幾次的隨意不僅導致排版不美觀，而且導致內容混亂，不利于閱讀。格式的規(guī)范需要按部就班，一步步的去完成，看起來容易的規(guī)定也需要極大的耐心以及足夠細心去完成，一絲一毫的疏忽都有可能導致版面的不美觀。所以把態(tài)度端正才是做任何事情最先要注意的一點！通過這次光學設計，不僅學到了ZEMAX對于光學系統(tǒng)的設計方法，還提高了自己的自主學習能力以及創(chuàng)新能力，動手能力以及與周圍同學協(xié)作的能力，即使遇到以前從未接觸過的知識也不用慌張，因為總會有解決的方法，只要有耐心和毅力就一定可以完成。希望這次光學設計課程可以對自己以及老師都有所幫助，可以為以后同學的學習有所幫助。也希望自己可以在今后的學習中不斷進步，不斷嘗試并改進，不斷糾正，沒有最好，只有更好的結果。主要參考文獻1. 郁道銀. 工程光學M 北京：機械工業(yè)出版社，2011年6月，204-218頁2. 史光