基于卡塞格林系统的望远物镜设计ZEMAX.docx
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基于卡塞格林系统的望远物镜设计ZEMAX
工程光学课程设计报告
题目
f=1200的望远物镜设计
班级：
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报告日期：
摘要
由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量PW与透镜折射率n、孔径半径r、厚度d等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径r、厚度d、形状系数Q、曲率p。
用光学设计软件ZEMAX对所求的结构参数进行了优化。
光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。
所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。
大体可以分为两个阶段。
第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。
第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。
这一阶段的设计成为“相差设计”，一般简称光学设计。
评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。
一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。
第一章绪论
1.1课程设计题目
基于卡塞格林的望远物镜设计
1.2设计要求
（1）入瞳直径：
D=20mm；
（2）相对孔径D/f’=1/6.15;
（3）视场角2ω=7°；
（4）在可见光波段设计（取d、F、C三种色光。
d为主波长）；
（5）MTF值在67lp/mm处大于0.40；
（6）要求给出用ZEMAX优化减小球差和轴向色差的方法。
第二章望远物镜的设计与相关参数
2.1望远物镜的主要参数
1.出瞳直径：
光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径；
2.出瞳距离：
出瞳到目镜最后一个表面的距离就是出瞳距离；
3.放大率：
望远镜的放大率是指视放大率，视放大率是指当人眼分别通过望远系统观察和直接观察同一物体时，在人眼视网膜上成像的大小之比，即；
4.视场：
望远镜的视场是指人眼通过该仪器所能见到的物空间的最大范围，用所能见到的物空间最大范围的边缘向入瞳中心所引的张角的角度值来表示望远镜的物方视场，像方视场用
像空间的边缘向出瞳中心所引的张角的角度值来表示；
5.通光孔径:
限制通过望远镜光能的图形框子（一般是物镜框）叫做入射瞳孔（简称入瞳），亦即望远镜物镜的通光孔径D。
6.分辨率：
望远镜的分辨率用它所能分辨的物方无限远两个物点对望远镜物镜中心的张角∝表示（单位：
秒）。
望远镜的分辨率直接与入射瞳孔直径有关。
入射瞳孔直径（一般为物镜通光孔径）越大，望远镜分辨率就越高，观察的物体就越清晰。
7.透过率：
望远镜的透过率影响所观察物体的亮度。
透过率与多种因素（如玻璃对光的吸收，光学表面透射时的反射损失，光散射等）有关。
特别是光学表面透射时的反射损失对透过率影响最大同时也影响成像清晰度。
因此，望远镜的光学镜片与空气接触的表面都要渡减反射膜（增透膜）。
镀的膜系不同望远镜的透光效果会不一样（单层透过率约50%、双层透过率约65%、多层膜透过率可达85%以上），以镀宽带增透膜效果最佳。
但考虑价格因素一般只在光学零件数目较多或在较高档的望远镜中镀制宽带增透膜。
判别一个望远镜的透过特性，可以观察镜片反光情况，若反光严重，则透光差，成像就模糊。
2.2望远物镜结构类型
望远物镜分折射式、反射式和折反射式三类
1、折射式物镜
折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远6种。
其主要光学特性、特点如下：
（a）双胶合：
视场为2ω＜10°，不同焦距适用的最大相对孔径f’/
为：
50/
、150/
、300/
、1000/
。
（b）双胶合-单：
相对孔径D/f’为1/3~1/2，透镜口径D＜100mm，视场角2ω＜5°。
（c）单-双胶合
相对孔径D/f’为1/3~1/2.5，透镜口径D小于100mm，视场角2ω＜5°。
（d）三分离
相对孔径D/f’为1/2~1/1.5，视场角2ω＜4°。
（e）对称式物镜：
适合于短焦距、大视场、小相对孔径使用，f’＜50，D/f’＜1/5,2ω＜30°。
（f）摄远
（一）：
由正、负两个分离薄透镜组构成，系统长度小于焦距，系统的相对孔径受前组相对孔径的限制。
（g）摄远物镜
（二）：
由双胶合-厚弯月构成。
2、反射式和折反射式物镜
反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系统中采用。
双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三种形式：
一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面，副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；
二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭球面，成正像，镜筒长。
三是牛顿系统：
它是由一个抛物面主镜和一块与光轴成45°的平面反射构成。
抛物面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个理想的像点。
第二个平面反射镜同样能理想成像。
折反射系统是卡塞格林系统的改进。
它是由球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。
2.3物镜的光学特性
2.3.1相对孔径不大
在望远系统中，入射的平行光束经过系统后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D/f’）和目镜的相对孔径（D’/f’）是相等的。
目前观察望远镜的出瞳直径D一般为4毫米左右，出瞳距离l’一般要求为20毫米左右。
为了保证出瞳距离，目镜的焦距f一般不能小于25毫米。
这样目镜的相对孔径为
，所以望远物镜的相对孔径一般小于
。
2.3.2视场角较小
望远物镜的视场角ω和目镜的视场角ω，以及系统的视放大率Γ之间关系为：
，目前常用的目镜视场2ω’大多在70°以下，这就限制了物镜的视场，通常望远物镜的视场不大于10°。
2.3卡塞格林光学系统
传统的”卡塞格林望远镜有抛物面镜的主镜，和双曲面的次镜将光线反射并穿过主光学望远镜
镜中心的孔洞，折叠光学的设计使镜筒的长度紧缩。
在小望远镜和照相机的镜头，次镜通常安装在封闭望远镜镜筒的透明光学玻璃板上的光学平台。
这样的装置可以消除蜘蛛型支撑架造成的"星状"散射效应。
封闭镜筒虽然会造成集光量的损失，但镜筒可以保持干净，主镜也能得到保护。
它利用双曲面和抛物面反射的一些特性，凹面的抛物面反射镜可以将平行于光轴入射的所有光线汇聚在单一的点上－焦点；凸面的双曲面反射镜有两个焦点，会将所有通过其中一个焦点的光线反射至另一个焦点上。
这一类型望远镜的镜片在设计上会安放在共享一个焦点的位置上，以便光线能在双曲面镜的另一个焦点上成像以便观测，通常外部的目镜也会在这个点上。
抛物面的主镜将进入望远镜的平行光线反射并汇聚在焦点上，这个点也是双曲线面镜的一个焦点。
然后双曲面镜将这些光线反射至另一个焦点
图2.3.1
2.4ZEMAX中的像质评价方法
2.4.1光扇图
由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成了子午形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。
共有RayAberration、Opticalpath和PupilAberration三种。
2.4.2点列图
反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况；
通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。
图2.4.2
2.4.3MTF调制传递函数
既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函数（OTF）的模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度；
物理含义：
应用傅里叶变换原理与光学系统相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑白线对分辨的调制度。
图2.4.3
2.4.4点扩散函数
PSF--PointSpreadFunction,反映点物经过镜头系统后，因像差或衍射在像面上造成的扩散情况，横轴为像面上的线性尺度，纵轴为归一化能量（强度）分布；
2.4.5波像差
可用于小像差光学系统和大像差光学系统，同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜头系统成像质量接近理想），使波像差评价像质易被量化，只是对大像差系统时，可将波像差容限取成2-4倍的瑞利标准；
波像差与视场有关，由一个视场物点发出充满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射，经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发生形变，表示存在波像差。
图2.4.5
第三章设计与优化
3.1设计过程
卡塞格林系统由一个抛物面/双曲面主镜和一个双曲面副镜构成，结构如下
图3.1.1
随着各种光学系统的要求不同，卡塞格林系统的结构会有一些调整，为了校正场曲、象散和畸变，会在像面前加入几块透镜来校正这些像差。
根据设计要求，视场角2
=1mrad，D=f/10=120
，经过查找，找到如下结构图：
面型
曲率半径
厚度
玻璃
半口径
Conic
标准
-742.8572
-260
Mirror
78
-1.0462
标准
-290.2328
471.7171
Mirror
22.5658
-2.9150
标准
-55.2297
7.5
SF11
18
0
标准
-118.4981
5
18
0
表3.1.1
其视场角是0度的，与要求有点差别。
我们将以上结构参数输入到ZEMAX软件中，同时注意主镜中有个中心开孔，这个开孔在输入的时候可以采用光阑面设置成不透光的形式来隔离掉光线进入光学系统，得到如下的结构。
Surf：
Type
Comment
Radius
Thickness
Glass
Semi-Diameter
Conic
OBJ
Infinity
Infinity
0.000
0.000
1*
Infinity
265.000
26.000
0.000
STO
-74.857
260.000
MIRROR
78.000
-1.046
3
-290.232
471.717
MIRROR
22.565
-2.915
4
-55.229
7.500
SF11
18
0.000
5
-118.498
5.00
18
0.000
IMA
Infinity
-
5.33E-005
0.000
表3.1.2
又根据要求，后截距要求为200mm，但是如图3.1.2所示，与要求不符合
图3.1.2
对于系统焦距进行设置，如图3.1.3
图3.1.3
根据前面的视场角和入瞳，在ZEMAX中输入数据，如图3.1.4,3.1.5
图3.1.4
图3.1.5
输入波长：
图3.1.6
题目要求后截距为200mm，将第二个面的conic设置为-1
图3.1.7
3.2优化过程
经过前面设置，卡塞格林系统已初步形成，现在要进行优化与改进。
根据物镜库的数据：
图3.2.1
打开优化函数，选择模式的方式，进行如下的设置：
图3.2.2
之后，在LensDataEditor中将各个镜片的曲率和厚度都改成变量，记住控制最后一个镜片面的曲率半径，让其控制F数的值不变。
Surf：
Type
Comment
Radius
Thickness
Glass
Semi-Diameter
Conic
OBJ
Infinity
Infinity
Infinity
0.000
1*
Infinity
181.382
60.090
0.000
STO
-505.458
-177.950
MIRROR
60.001
-1.046
3
-198.653
322.873
MIRROR
18.148
-2.915
4
-37.802
5.120
SF11
12.320
0.000
5
-81.107
200.000
12.320
0.000
IMA
Infinity
-
12.131
0.000
表3.2.1
得到MTF图如图3.2.3：
图3.2.3
根据MTF图像，还需要进一步优化。
我们在优化函数表给中加入EFFL、WFNO和MTFA来分别控制系统焦距，F数和MTF值。
Oper#
Type
Samp
Wave
Field
Freq
Grid
Target
Weight
1MTFA
MTFA
1
0
2
67
0
0.400
1.000
2WFNO
WFNO
10.000
1.000
3EFFL
EFFL
2
1200.000
1.000
4DMFS
DMFS
表3.2.2
进行优化之后，结构会产生畸变，应该增加透镜，在SF11后面加上一个K9玻璃，在这里我们需要设定一个差不多的厚度让光线能够追迹同时调整主镜的遮光比。
Surf：
Type
Comment
Radius
Thickness
Glass
Semi-Diameter
Conic
OBJ
Infinity
Infinity
Infinity
0.000
1*
Infinity
195.000
60.097
0.000
STO
-531.920
-183.471
MIRROR
60.001
-1.000
3
-221.745
147.540
MIRROR
18.763
-2.915
4*
-495.894
1.700
SF11
12.320
0.000
5*
-380.000
1.499
K9
12.000
0.000
6*
-4636.809
-200.000
12.320
0.000
IMA
Infinity
0.6023
0.000
表3.2.3
优化过后，得到如图3.2.4：
图3.2.4
设置MTF在671p/mm的值如图3.2.5所示：
图3.2.5
MTF值在671p/mm处大于0.4，符合设计要求，设计完毕。
卡塞格林系统的3D图像如图3.2.6所示：
图3.2.6
卡塞格林系统的设计至此完成，就该设计感觉可改进的地方：
1是否可以用两片镜片完成题目要求而不用加一块镜片
2MTF值在671p/mm处刚刚大于0.4，是否可以改进使得在671p/mm处的MTF值更大一点
3像差比较大，可以进行优化
第四章运用Solidworks对镜片进行绘制
第五章心得与体会
通过这次工程光学课程设计的学习，让我对以前所学的光学知识有了更深刻的理解，两个多月的时间充实而又有益，学习到了两款软件—ZEMAX以及SolidWorks，并动手设计出了卡塞格林光学系统的望远物镜。
刚开始拿到这个题目，对于怎样入手毫无头绪，尤其是抽到了比较特殊的两镜系统卡塞格林系统，于是到图书馆和上网查阅了有关资料，仔细阅读了资料以及向周围同学请教，看了以前做的ZEMAX相关的例题，才对卡塞格林系统有了初步的了解，但是对于怎样计算各个参数还是一窍不通。
之后通过翻阅《光学非球面的加工设计与检验》，知道怎样计算各个参数，之后才是运用ZEMAX对光学系统进行设计与加工。
ZEMAX是最近才接触到的软件，所以在制作过程中也遇到了不少困难，因为是英文软件，所以许多菜单上的意思都看不懂，需要通过网络来翻译，之后要按照给定的要求，一步一步进行，比如进行缺省函数的建立就遇到了不少困难，不过最后还是通过网络完成了缺省函数的建立。
但是由于人为设计导致最后的结果很可能不是最佳的，ZEMAX的自动优化功能可以帮助我达到题目所给的要求。
不过做出的结果仍有许多不足，以后还要经过不断地学习使得结果更加完美。
当然，态度也很重要，把自己设计的经过写入Word文档也需要规范格式，前几次的随意不仅导致排版不美观，而且导致内容混乱，不利于阅读。
格式的规范需要按部就班，一步步的去完成，看起来容易的规定也需要极大的耐心以及足够细心去完成，一丝一毫的疏忽都有可能导致版面的不美观。
所以把态度端正才是做任何事情最先要注意的一点！
通过这次光学设计，不仅学到了ZEMAX对于光学系统的设计方法，还提高了自己的自主学习能力以及创新能力，动手能力以及与周围同学协作的能力，即使遇到以前从未接触过的知识也不用慌张，因为总会有解决的方法，只要有耐心和毅力就一定可以完成。
希望这次光学设计课程可以对自己以及老师都有所帮助，可以为以后同学的学习有所帮助。
也希望自己可以在今后的学习中不断进步，不断尝试并改进，不断纠正，没有最好，只有更好的结果。
主要参考文献
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10JasonSpyromilio,Telescopemountsanddomestructures,ExpAstron（2009）26:
19–34DOI10.1007/s10686-009-9157-6
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