光学设计实验报告.docx
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光学设计实验报告
班级：
04111302
姓名：
叶云
学号：
1120130901
光学设计实验报告
叶云
1120130901
目录
§1双胶合望远物镜设计 3
一、计算初级像差 4
二、用ZEMAX设计并优化双胶合物镜 7
三、总结分析 13
§2对称式目镜设计 14
一、计算初始结构参数 14
二、用ZEMAX设计并优化对称式目镜 14
三、总结分析 18
§3双胶合望远镜系统配合 19
一、物镜和目镜的配合 19
二、用ZEMAX优化双胶合望远镜系统 21
三、总结分析 22
§4低倍消色差显微物镜设计 24
一、求物镜的焦距、物距和像距 24
二、原始系统结构参数的初级像差求解 25
三、原始系统参数输入及像质评价 28
四、利用ZEMAX做初级像差优化设计 30
五、总结分析 33
§5双高斯照相物镜设计 34
一、原始系统参数输入及像质评价 35
二、利用ZEMAX做初级像差优化设计 37
三、第一次优化效果 38
四、第n次优化效果 40
五、总结分析 44
§6心得感悟 45
45
§1双胶合望远物镜设计
要求设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），如下图所示，技术要求如下：
视放大率：
3.7
出瞳口径：
D=4mm
出瞳距离：
大于等于20mm
全视场角：
2w=10°
物镜焦距：
f'=85mm
棱镜折射率：
n=1.5163（K9）棱镜展开长度：
31mm
棱镜距离物镜的距离40mm
孔径光阑位在物镜前35mm
要求：
（1）计算棱镜的初级像差
（2）双胶合物镜的初级像差求解
（3）利用Zemax自动设计程序进行优化设计
一、计算初级像差
1.求h,hz,J
根据棱镜入射的相关参数
G=tanw'=D
D 14.8
tanw D'
得入瞳直径D=4mm
h= =
2
=7.
2
u'=D2=14.8=0.087
f' 170
y'=-f'tanw=-85´tan（-5°）=7.44
J=n'u'y'=1´0.087´7.44=0.647
z
h=35´tan（5°）=3.0621
2.计算平行玻璃板的像差和数：
SI,SP,SIC
u=u'=0.087
；u=tan（-5°）=-0.0875;æuzö=-0.99
z çu÷
è ø
根据已知条件，平行玻璃板本身的参数为
d=31mm，n=1.5163，n=64.1
将以上数值代入到平行玻璃板的初级像差公式中得
球差：
SI=-
n2-1
n3
du4=-31´（0.087）4
´1.51632-1
1.51633
=-0.00069
慧差：
SⅡ=S
æuzö=-0.00069´（-0.99）=0.00068
Içu÷
è ø
轴向色差：
SⅠC
=-dn-1u2=-31´
vn2
1.5163-1
64.1´1.51632
´（0.087）2=-0.00082
3.列出初级像差方程式求解双胶合物镜的P¥，W¥，C
根据对整个物镜系统的像差要求，求出系统的像差和数SI,SP,SIC
由于本题中未给出整个物镜系统的像差要求，所以为了保证补偿目镜的像差，不妨设该物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差为
δL'=0.1mm,SC'=-0.001,DL'
=0.05mm，
m m FC
则
SⅠ=-2n'u'2dL'=-2´（0.087）2´0.1=-0.00151
s
SⅡ=-2n'u'K'
=-2n'u'（SC'gy'）=0.00129
FC
SⅠC=-n'u'2DL'
=-（0.087）2´0.05=-0.00038
以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求得双胶合物镜的像差为：
SⅠ=SI系统-SI棱镜=-0.00151-（-0.00069）=-0.00082
SⅡ=SI系统-SI棱镜=0.00129-0.00068=0.00061
SⅠC=SI系统-SI棱镜=-0.00038-（-0.00082）=0.00044
（1）列出初级像差方程求P, W, C
对单个薄透镜组有
SⅠ=hp=7.4´p=-0.00082，p=-0.00011
SⅡ=hzP-JW=-0.647W-0.00034=0.00061，W=-0.000422
SⅠC=h2C=（7.4）2C=0.00044，C=0.000008
（2）由P, W, C求P¥,W¥,C
P= p
（hj）3
W= W
（hj）2
=-0.00011=-0.167
0.0873
=-0.000422=-0.056
0.0872
C=Cgf'=0.000008´85=0.00068
由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：
P¥=P=-0.167；W¥=W=-0.056；C=0.00068
根据P0
，C选玻璃。
将上面求得的P¥，W¥代入公式求P0
P=P-0.85（W
-0.15）2=-0.167-0.85´（-0.056-0.15）2=-0.203
0 ¥ ¥
根据：
C=0.00068；P0=-0.203
从附表2得到
K9：
nD=1.5163
ZF1：
nD=1.6475
n=64.1
n=33.9
C=0.00068；P0=-0.203；Q0=-4.58
4.求透镜组半径
j=æC-1ö æ1-1ö
1 ç v÷ çv v÷
è 2ø è1 2ø
=æ0.00068-
1ö æ1- 1ö
ç 33.9÷ ç64.1 33.9÷
è ø è ø
=2.074
j2=1-j1=-1.074
则Q=Q0
-W¥-0.15=-4.58--0.056-0.15=-4.4571.67 1.67
由上面的结果求半径：
1
r
=j1
2
+Q=2.074-4.457=-2.383
1=j1+1
r1 n1-1 r2
= 2.0741.5163-1
-2.383=1.634
1=1-j2
=-2.383-
-1.074
=-0.724
r3 r2 n2-1 1.6475-1
由此得到：
r1=0.6120,r2=-0.4196,r3=-1.3812，以上半径对应于焦距为1，将它们乘以焦距f'=85mm，最后求得半径为：
r1=52.02mm,r2=-35.666mm,r3=-117.402mm
5.确定透镜厚度
透镜厚度除了和球面半径透镜直径有关外，同时考虑到透镜的固定方法，质量要求和加工难易等因素，可参考“光学设计手册”中有关光学零件中心和边缘
厚度的规定，用实际口径作图确定，我们取d2=6，d3=4
。
这样双胶合物镜的
全部结果参数为
r d 玻璃材料
r1=52.02
r2=-35.666
r3=-117.402
6 K9
4 ZF1
z
D=14.8，2w=10°，L=¥，l=-35
二、用ZEMAX设计并优化双胶合物镜
1.原始系统参数输入及像质评价
在GeneralLensData中，输入入瞳直径为14.8，采用中国玻璃库。
视场选择
0、1.5、3.5、5四个视场，波长选择“Select F，d，C”。
由前面计算可知，原始系统的参数输入及光学特性参数如下：
从上面的一系列参数中可以知道，原始系统的焦距EFFL为86.2，与题目要求的85非常接近，从点列图以及MTF可以知道，该原始系统的初始像差也不大，初始系统结构图也非常正常。
这说明利用初级像差方程式来求解双胶合望远物镜是非常有效的，所求解的结构参数与理想的状态相差不大，利用这个初始结构来进行优化会很容易地达到最优状态。
2.利用ZEMAX对系统进行优化设计
（1）确定自变量
首先需要确定自变量，一般来说，半径厚度或间隔，以及玻璃材料都可以选为自变量，但对每一个系统需要具体情况具体分析。
对于双胶合透镜，厚度对校正像差基本上不起什么作用，因此不选择厚度作自变量，玻璃材料一般是在利用初级像差方程式求解结构参数时已经确定了，因此也不能选作自变量，这样只有半径可以作为自变量去，其中，棱镜展开以后形成的玻璃平板的两个表面半径当然也不能作为自变量，所以实际上只有前三个半径可以作为自变量。
（2）建立评价函数
要建立评价函数，单击Editors中的MeritFunctionEditor菜单，弹出评价函数MeritFunctionEditor界面，然后单击DefaultMeritFunction，此时显示的是评价函数波像差均方根，单击确定，然后插入一行，在Type列中，输入EFFL，在
Target项中输入85，在Weight项中输入1，如果还有其他的各种要求，均可以插入相应的行，输入需要控制的参数即可。
（3）执行优化设计功能
现在可以开始进行优化设计。
单击Tools中的Optimization，选中AutoUpdate，然后单击循环次数，开始时次数可以选择一次循环，观察优化一次后的系统结构图是否出现异常，以及观察点列图和MTF的像差是否减小，如果一切都没有出现问题，那么可以选择自动优化，直至优化达到最优结构。
最后系统的光学特性及像差如下图所示。
空间频率40lp/mm
空间频率20lp/mm
塞德尔像差系数
三、总结分析
从上面的结果我们可以知道，优化之后的点列图明显优于初始系统，这对我们人眼观察的目视光学系统来说是极好的，意味着系统成像质量更好。
另外优化
后系统的dL'=0.001829，K'=-0.003249，DL'
=0.000999，由于之前在计算该
m S FC
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