光学设计冉斯登目镜.docx

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光学设计冉斯登目镜

M,S,SA

引言

目镜是目视光学系统的重要组成部分。

被视察的物体通过望远镜和显微物镜成像在目镜的物方焦平面处，经目镜系统放大后将其成像在无穷远处，供人眼观察。

从目镜的光学特性来讲，具有以下特点：

（1）焦距短。

一般目镜的焦距在15mm-30mm左右，和一般望远镜比起来，焦距短是它的一个特点。

（2）相对孔径比较小。

由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在2mm-4mm左右变化，因此大多数实验室仪器出瞳直径一般在2mm左右，目镜焦距常用的范围为15mm-30mm，故目镜的相对孔径一般小于1/5.

（3）视场角大。

通常在

左右，广角目镜的视场在

左右。

（4）入瞳和出瞳远离透镜组

目镜设计原则：

在设计目镜时，通常按反向光路计算像差，即假定物平面位于无限远，目镜对无限远目标成像，在目标的焦面上衡量系统的像差。

至于目镜的光瞳位置，可以按两种方式给出。

第一种方式是把实际系统的出瞳作为反向光路时目镜的入瞳，给出入瞳距离p，入瞳直径D等于系统要求的出瞳直径。

在目镜像差校正的过程中，要求保证边缘视场的主光线通过正向光路时物镜的出瞳中心（即正向光路目镜的入瞳中心）。

其他视场的主光线，由于存在光阑球差并不通过同一点，这样计算出来的像差和实际成像光束的像差虽完全不同，但一般较小，可以忽略。

第二种方式是如果像差计算程序能够在给出实际光阑后自动求出入瞳位置，并用调整主光线位置的方法，保证不同视场的主光线通过实际光阑的中心。

这样可以把正向光路时物镜的出瞳作为实际光阑给出，计算出来的像差和实际成像光是的情况符合。

本设计采用第一种方法。

在望远镜和显微镜中，目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜。

冉斯登目镜，由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相对，两者的间距d等于焦距的2／3。

冉斯登目镜的球差、轴向色差和畸变等均小于惠更斯目镜，但垂轴色差较大。

若用消色差胶合透镜代替接目镜（称为开尔纳目镜），则可校正垂轴色差。

冉斯登目镜可当普通放大镜使用。

本设计采用缩放法设计冉斯登目镜。

第一章设计原理

1.1冉斯登目镜原理

冉斯登目镜，由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相对，两者的间距d等于焦距的2／3。

冉斯登目镜的球差、轴向色差和畸变等均小于惠更斯目镜，但垂轴色差较大。

若用消色差胶合透镜代替接目镜（称为开尔纳目镜），则可校正垂轴色差。

冉斯登目镜可当普通放大镜使用。

冉斯登目镜的原理图

1.2缩放法

缩放法步骤：

1.物镜选型

2.缩放焦距

3.更换玻璃

（1）保持色差不变更换玻璃

（2）更换玻璃校正色差

4.估算高级像差

5.检查边界条件

第二章目镜设计

2.1原始数据分析

由光学设计手册可得如下原始数据：

将以上数据输入ZEMAX，进行焦距缩放后，可以看到

缩放后初始数据ZEMAX键入图

点击工具栏中Lay图标，出现优化前物镜系统平面剖面组，如下图示：

图像分析结果：

如图显示，缩放后结构基本满足设计结构要求，没有出现设计结构的变形和不合理现象。

点击工具栏中Ray图标，出现rayfan曲线图，如下：

图像分析：

在ZEMAX中有一个重要的分析手段，就是显示rayfan图。

rayfan表示是光学系统的综合误差。

它的横坐标是光学系统的入瞳标量，纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。

点击工具栏中OPD图标，出现波像差曲线，如下：

点击工具栏中SPT图标，出现弥散斑，弥散斑越小，成像质量越好，如下：

光学传递函数（MTF）分析，单击工具栏中的Mtf图标，出现光学系统的调制传递函数图，如下：

图像分析：

所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。

当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。

这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。

从理论上可以证明，像点的中心点亮度值等于MTF曲线所围成的面积，曲线所围成的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统的成像质量越好，图像越清晰。

因此在光学系统的接收器截止频率范围内，利用MTF曲线所围成的面积的大小来评价光学系统的成像质量是非常有效的。

如图所示明显可知，MTF曲线所围成的面积过小，光学系统的成像质量不高，所以需要对其进行优化。

2.2优化后的数据分析

用软件进行优化后的数据图示如下所示：

将优化后的图像和原始的图像相比较，可以发现目镜优化后的成像效果整体上好于优化以前的。

第三章学习心得体会

通过本次光学设计课程设计，我不仅更加深刻的学习了光学设计的相关知识，而且学会使用了ZEMAX常用的光学设计软件，同时，也锻炼了我们在学习新软件的能力，这是对新知识的学习，是对新事物学习和接受能力的锻炼。

最初，我们对设计的总体思路都没有一个大概的印象，最后通过到图书馆和上网查阅资料，并且看了以前上试验课时的PPT和一些资料，才对要使用的软件有大致的了解，安装ZEMAX后，慢慢的探索和练习。

之后再是对我们课题进行慢慢的细细研究，有了点思路后，即先分析设计的要求，按给定的参数设定物方孔径，视场和波长等参数。

然后按步骤即可进行设计，就可得到ray、fcd、spt、mtf等输出波形。

但由于人为设计的可能不是最佳的，ZEMAX系统软件提供了一个自动优化功能，我们可在人为设计完成后进行自动优化，在把优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。

因此，在本次设计中，我们学到的不只是光学上的一些知识，还学会了一种设计思路和接受新事物的能力的锻炼。

参考文献

1刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，西安

2《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京

3光学设计软件ZEMAX

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：

王志斌

2012年7月13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：

王志斌

2012年7月13日

课程设计综合成绩：

答辩小组成员签字：

王志斌

2012年7月13日