双高斯物镜的设计doc.docx
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双高斯物镜的设计doc
双高斯物镜的ZENAX优化设计
《光学课程设计》
一、介绍....................................................-2-
二、用初级像差理论确定初始结构..............................-3-
三、用ZEMAX优化............................................-8-
四、结论.......................................错误!
未定义书签。
五、心得体会...............................................-12-
参考文献...................................................-13-
一、介绍
双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。
双高斯物镜是以厚透镜
矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜
组成，如图1所示。
图1双高斯物镜
由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。
设计这
种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。
在双高斯物
镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲
S，利用薄透镜的弯曲可以校正
Ⅳ
球差
S，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散SⅢ，在厚透镜中引入一
Ⅰ
个胶合面可以校正色差
C。
双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变
Ⅰ
而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。
在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦
度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出
来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一
个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。
这个半部系统回来了承受无限
远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。
由于从厚透镜射出的轴上
光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产
生的球差及高级量越小。
但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着
透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。
为了平衡
S，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球
Ⅲ
心，用该面上产生的正像散平衡SⅢ。
于此同时，轴外光线在前表面上的入
射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正
和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。
相反，若将光阑离
开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，则轴外光线的入射状态就能大大
的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。
为了平
衡
S，薄透镜应该向前弯曲，以使球面与光阑同心。
这样一来，球差及其
Ⅲ
高级量就要增加。
以上分析表明：
进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛
盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。
解决这对矛盾的方法有三种：
第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大。
第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的
半径加大。
第三，在两个半部系统之间引入无焦度的校正板，使它只产生
S和SⅢ，
Ⅴ
实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。
二、用初级像差理论确定初始结构
1、半部系统的规划
半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件
u11uh
，01
，。
z11
2、以厚透镜校正
S
Ⅳ
考虑到对高级像散的平衡，取SⅣ0.07。
按相对孔径需要选d0.15。
玻璃可取BaF7和ZK8的组合。
由式子
c1c2
c1c2
n
d
nS
Ⅳc
n
1
1
nS
Ⅳ
c
n1
a
2
b
可得
a
0.184006b
，
5.729
，
c1c2
31.766026
5.549
3、加无光焦度双薄透镜校正
S
Ⅰ
取1.3
a（实践表明取值在到之间为好）。
b
（1）求
u2、SⅠ。
c
u
2
S
Ⅰ
c
n
1
nr
1
n
n1
2.719
3
u
2
2
1dun
2
u
2
1
u
2
2
173.52
（2）求个面曲率半径
由式子
b1c2
，
a1a1a
b
b2b1a2a2a
n1
及式子
r
1
1
r
2
c1
1
r
3
b2
1
r
4
a1
1
a2
可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：
r
r
r
r
1
2
3
4
0.1745
0.2917
3.3721
0.4143
4、求校正
S的孔径光阑位置
Ⅲ
根据校正
S的要求，有
Ⅲ
SⅢSaSbS
ⅢⅢⅢ
c
0
令hlA
z11，则
z
i
i
i
h
z2
z1
z2
2
A
c1
i
2
A
1
1
h
2
u
2
n
A
1
1
nh
2
d
n
1
di
2
由以上各式可得Al0.0869
z
从上述计算可知，由于透镜a、b、c合成后球差系数S0，所得方程
Ⅰ
的二次项系数一定为零，也就是说A只有一个根。
5、厚透镜中加入消位置色差系数
C的胶合面
Ⅰ
5
为了使得引入胶合面后C0，所以取胶合面初级位置色差系数
Ⅰ
1
4
dndn
CⅠluniC
Ⅰ
nn
1
0.0221
由此可得
dn
n
dn
n
0.0026
而第一近轴光线在胶合面上的入射高度
l
2uhdu
2112
1.0610
胶合面入射角
4
C
Ⅰ
i
l
un
22
1
dn
n
dn
n
4.9586
为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式
lr
iu
r
的胶合面曲率半径r0.3818
6、半部系统焦距确定
半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式
1d知，当
212
1时，d0，则22。
实际上系统间d不可能等于零，计算表明，当
2
半部系统的焦距等于1，取合成以后的焦距大约等于。
现设计要求的合成焦距
为58毫米。
所以半部系统的焦距
f
2
f
0.8
72.5
7、半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成
首先将规化半部系统结构参数r、d乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜
a、b加上必要厚度。
半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成
一个完全对称系统。
其全部结构参数如下：
表1双高斯物镜的结构参数
主要技术指标结构
D1
f
f
2
D
2
58mm
40
29mm
面号r/mmd/mmn玻璃
1
2ZK8
3
4ZK8
5BaF7
6
7BaF7
8ZK8
9
10ZK8
8、象差计算
已知物体在无限远L，则视场半角的正切
tan
y
f
0.3729
式中y为底片对角线的一半。
入射光瞳半径为h，已知相对孔径
D
f
1
2
，则有
h
D
2
f
4
14.5
按L,h14.5,21进行光路计算，求得象方孔径角
u
k
0.2507
总焦距
f57.8309
拉赫不变量
J
n1htan
1
5.4075
初级象差系数
S
Ⅰ
0.07479
S
Ⅱ
0.09736
S
Ⅲ
0.06245
S
Ⅳ
0.01929
S
Ⅴ
0.31357
C
Ⅰ
0.004304
C
Ⅱ
0.003771
初级象差
k
S
Ⅰ
L
k
1
2
0.594893
2n
k
k
u
k
S
Ⅱ
SC
K
1
2
j
0.009002
三、用ZEMAX优化
1、建立新镜头，录入初始结构参数。
（1）光源参数
1）首先点击，出现以下窗口。
如图可知入瞳直径设置为29mm。
2）点击，出现以下窗口，按图设置各项参数
3）点击，出现以下窗口，选择F,D,C可见光波段。
（2）镜头数据为：
图3初始镜头数据
2、像质评价报告图
（1）优化前
RayFan如图4;OpdFan如图5;Spt如图6;Mtf如图7;Lay如图
8;场曲和畸变如图9：
图4优化前Ray
图5优化前Opd
图6优化前Spt
图7优化前Mtf
图8优化前Lay
场曲和畸变如图9：
图9场曲和畸变Fcd
经分析，像质不够好，有待进一步优化。
将透镜的曲率半径、厚度、玻
璃类型作为优化变量，通过优化曲率半径、厚度、玻璃类型来提高像质。
（2）优化过程
第一次优化前的赛德尔系数
根据系数选择如下变量进行优化
优化后得到的赛德尔系数为
根据上述方法进行第二、三、四次优化，优化变量和优化后赛德尔系数分别如
下图所示
第二次优化
优化后
第三次优化
第三次优化后
第四次优化
第四次优化后
（3）优化后结果
镜头数据如图10：
RayFan如图11：
OpdFan如图12：
Spt如图13：
Mtf如图14：
Lay如图15：
场曲和畸变如图16：
图10优化后镜头数据
图11优化后Ray
图12优化后Opd
图13优化后Spt
图14优化后MTF
图15优化后Lay
图16场曲和畸变
有上述结果图中发现如下变化：
1、光程差随空间位移的变化并没有激增，说明在一定程度上减小了像差。
2、点列图聚集程度比优化前更好，能量不易分散，有利于成像。
3、优化后，综合像差值基本上很小（贴近坐标轴）
（4）镀膜
镀膜前
可以看出镀膜前的透过率在左右
镀膜后
镀膜后的透过率达到了以上
四、总结
双高斯物镜是一种对称型结构，故可以先从它的半部系统着手，这时只
需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全
对称合成后，其垂轴色差自动相消。
对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯
曲系数SⅣ，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数SⅠ，用选取孔径光阑位置
校正像散系数SⅢ，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系
数
C。
计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。
选取透镜的曲率半
Ⅰ
径和厚度作为优化变量。
调试优化直至各参数满足设计要求。
五、心得体会
光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得
来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。
就说论文的编写吧，
各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的。
通过这次的课程设计，我认识到了学习是始终伴随自己的，从开始的对ZEMAX的
一窍不通，到现在能基本用它完成简单光学系统的设计优化。
从开始不知道
怎么使用VISIO作图，到现在能使用其作出相关的图形。
当然，各种软件功
能都及其庞大，但是，认识到边学边用后，自己便能在以后的工作和学习生
活中更加从容一些。
在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培
养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在
设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。
课程设计是我们专业课程知识
综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
我努力做了，虽然不是很完美，但自己也收获了些东西，相信自己会从中受
益。
学无止境，今后会更加努力。
参考文献
1、刘钧、高明·《光学设计》·西安电子科技大学出版社·西安·2006
2、《光学仪器设计手册》·国防科技出版社·北京·1971
3、光学设计软件ZEMAX
4、张以谟·应用光学·机械工业出版社·北京·1982
5、王之江·实用光学技术手册·机械工业出版城·2006
6、光学仪器设计手册·国坊工业出版社·北京·1971
电气工程学院课程设计评审意见表
指导教师评语：
认真正确完善完善
较为合理合理
工作态度较认真理论分析一般软件设计一般
不认真较差较差
平时成绩：
指导教师签字：
2011年6月30日
图面及其它成绩：
答辩小组评语：
清晰正确
基本掌握优化设计基本正确
原理了解不正确
不清楚
答辩成绩：
组长签字：
2011年6月30日
课程设计综合成绩：
答辩小组成员签字：
2011年6月30日
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