光学设计报告.docx

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光学设计报告

光学设计报告

学生：

王雪梅

学号：

2120110645

专业：

光学工程

日期：

2011年12月18日

1、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

1、评价光学系统成像质量的方法:

（1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量:

分辨率检验、星点检验

（2）设计阶段的评价方法:

几何光学方法:

几何像差、波相差、点列图、几何光学传递函数

物理光学方法:

点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数

2、对几何像差和垂轴像差进行分类和总结

（1）几何像差

光学系统的色差

轴向色差:

不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差,通常用C和F两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也称近轴轴向色差。

垂轴色差：

不同颜色光线所成的像高不一样，这种像的大小的差异称为垂轴色差。

轴上像点的单色像差（球差）：

轴上有限远同一物点发出的不同孔径的光线通过系统以后不再交于一点，成像不理想。

用不同孔径光线的聚焦点与理想像点的距离表示。

轴外像点的单色像差:

子午像差——子午彗差、轴外子午球差；

弧矢像差——弧矢彗差、轴外弧矢像差。

情况分析：

对于某些小视场大孔径的光学系统：

用彗差与像高的比值来描述系统的成像质量

对于小孔径成像的光学系统，用色散来描述系统的成像质量

在子午像差和弧矢像差都为零的情况下，对应的像高并不一定和理想像高一致，实际像高与理想像高之差来衡量成像变形的指标，即畸变。

各种像差的校正及消除：

球差的校正：

加光阑，复合透镜，非球面透镜，变折射率透镜

色差的消除：

采用不同色散不同折射率玻璃的组合、采用反光镜

彗差的校正：

加光阑，复合透镜，非球面透镜

④高级像差：

剩余球差、子午视场高级球差、弧矢视场高级球差、全视场0.7071孔径剩余子午彗差、全孔径0.7071视场剩余子午彗差、剩余细光束子午场曲、剩余细光束弧矢场曲、色球差、剩余垂轴色差。

（2）垂轴像差

子午垂轴像差、弧矢垂轴像差

2、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理，掌握阻尼最小二乘法自动设计程序的使用方法，或掌握ZEMAX软件中的自动设计程序使用方法。

1、光学自动设计

在光学自动设计中，一般把对系统的全部要求，根据它们和结构参数的关系不同重新划分成两大类。

第一类是不随系统结构参数改变的常数。

在计算和校正光学系统像差的过程中这些参数永远保持不变，它们是和自变量（结构参数）无关的常量。

第二类是随结构参数改变的参数。

它们包括代表系统成像质量的各种几何像差或波像差，同时也包括某些近轴光学特性参数。

2、阻尼最小二乘法

阻尼最小二乘法的最显著特点是，它不直接求解像差线性方程组，而把各种像差残量的平方和构成一个评价函数

。

通过求评价函数的极小值解，使像差残量逐步减小，达到校正像差的目的。

它对参加校正的像差数m没有限制。

而且主要适用于m大于自变量数n的情形。

在增加了阻尼项以后虽然也可以用于

的情形，但仍然不能求得像差线性方程组的准确解。

3、适应法光学自动设计

适应法像差自动校正程序的最大特点是：

第一，参加校正的像差个数m必须小于或等于自变量个数n；第二，参加校正的像差不能相关。

因为适应法求出的解，严格满足像差线性方程组的每个方程式。

如果m＞n，或者某两种像差相关，像差线性方程组就无法求解，校正就要中断。

这是适应法和阻尼最小二乘法的最大区别。

3、望远物镜设计

要求：

焦距为200，半视场角为4˚，相对孔径为1：

5

设计过程：

1、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为：

光学性能

玻璃

136.14

-78.89

-223.9

6

4

K9

ZF1

2、打开ZEMAX，在“gen”、“fie”、“wav”中设置入瞳、玻璃库、视场、波长等参数；

3、在“LensDataEditor”中输入初始参数：

4、输出光路图为：

5、MTF传递函数图为：

四、望远目镜的设计

要求：

与

（一）中的望远镜物镜进行配合，视放大率为6倍，目镜出瞳距离为20。

设计过程：

1、望远目镜结构参数的求解：

，得：

，

，得：

2、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为：

光学性能

玻璃

117.85

27.51

-31.44

31.44

-27.51

-117.85

2

10.5

0.5

10.5

3

ZF1

K9

K9

ZF1

3、在ZEMAX中新建“LensDataEditor”，将所选透镜组的数据输入：

此时，系统的焦距为29.93mm，33.33/29.93=1.1136，因此设置缩放因子为1.1136，得到调整后的数据：

优化后数据：

输出光路图：

优化后的MTF函数图：

优化后的点列图：

4、插入场镜

基于前面的设计我们得到的是目镜的倒置结构，因此在加入场镜时，先将编辑好的目镜组数据倒置，在插入场镜，插入后继续优化场镜参数，目镜参数保持不变。

优化后的数据为：

5、物镜与目镜的组合

组合光路图：

五、照相物镜的设计

要求：

焦距为50，半视场角为25˚，相对孔径为1：

3。

设计过程：

1、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为：

光学性能

玻璃

18.57

-33.58

16.669

光阑

218.33

16.36

-25.0

4.62

3.43

1.08

2.85

0.87

1.08

4.51

ZF11

F1

QF14

ZBaF16

2、将数据输入“LensDataEditor”中，如图：

3、优化后数据为：

4、输出光路图：

5、优化后MTF函数图：

六、变焦系统

要求：

利用Zemax软件中的多重结构构造一个理想的变焦距系统，焦距从30～300，给出变焦数据。

设计过程：

1、打开ZEMAX，在“LensDataEditor”中把除了光阑以外的的透镜设置为理想镜，并设置初始数据；

2、定义多组态透镜，设置参数如下：

3、

建立多组态优化函数，如下：

4、不同焦距的输出光路图：