课程设计报告望远物镜设计双胶合镜结构.docx

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课程设计报告望远物镜设计双胶合镜结构

黑龙江科技大学

课程设计报告

项目名称：

望远物镜设计（双胶合镜结构）

所属课程：

工程光学

设计日期：

班级测控11--1班

学号

姓名

指导教师

成绩

电气与控制工程学院

课程设计报告说明

一、写报告前，请认真阅读《课程设计报告说明》。

二、打印装订要求

1、一律用A4纸，双面打印，并左侧装订，一式1份，并同时上交电子版（电子版上传邮箱123244441@）。

《课程设计报告说明》页也打印。

2、课程设计概述部分占一页；课程设计内容长度根据实际需要填写；结论和指导教师评语及成绩单独占一页。

保证打印格式工整。

三、报告内容要求

1、课程设计目的结合实际自己写，不要雷同

2、课程设计要求按下发的设计题目写

3、课程设计原理简要说明所完成课程设计项目所涉及的理论知识

4、课程设计内容这是课程设计报告极其重要的内容。

概括整个课程设计过程。

（最好在上述内容基础上画出相应的流图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。

）

一、课程设计概述

1、课程设计目的

掌握工程光学的理论和典型光路的基础上，利用像差理论进行简单光路的光学参数计算和设计。

利用Zemax光学设计软件进行仿真和参数优化，达到理论和实际应用相结合。

进一步熟悉Zemax软件的使用。

2、课程设计要求

灵活运用工程光学课程重所讲授的内容，进行近轴光路的计算，设定初始光学参数；熟悉Zemax光学设计软件的基本功能和用法，并进行简单光路的模拟和优化。

设计要求：

采用双胶合（Doublet）结构，D/f=1/11，半像面尺寸：

4.8mm

半视场角：

0.5°设计波长：

0.486um、0.587um、0.656um，

口径D：

50mm

计算：

系统焦距f，，后焦距（BFL）

3、课程设计原理

双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

优化是光学系统设计过程中最重要的一步，一般来说初始结构的像质并不是很理想的，只有经过优化才能使光学系统的性能达到我们需要的状态。

优化之前要进行两个必要的步骤：

要确定优化变量和选用评价函数。

理论上讲，透镜组的全部结构参数都可以作为优化变量参与优化，光学系统中影响像质的因素是曲率半径r，折射率n和厚度d。

二、课程设计内容

先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径,镜头单位，视场，和波长。

（1）修改系统设定。

首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。

提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4。

由公式，得物方孔径EPD约等于25。

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择25，单位毫米。

（2）视场设定。

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，（0,0）,（0,3）和（0,5）。

第三步，波长设定。

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长0.48um，单击确定完成配置

系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。

镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。

这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。

单透镜由两个面组成（前面和后面），物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中。

当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。

每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面（或一个）。

移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。

屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动。

”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。

当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。

首先，添加镜面，设计要求双镜头，所以添加3个镜面，在镜面编辑窗口中选择编辑>插入曲面。

曲面插入完毕，即可向镜头数据编辑窗口写入镜头数据。

设计要求第一块镜面材料BAK1第二块镜面材料为F3。

在glass窗口中写入材料的类型。

完成后在Thickness栏中填入玻璃厚度。

最后使用求解去执行设计约束，设置像空间F/#为恒定值4。

如下图：

接下来，分析.优化前的系统性能。

选择分析>草图>2D草图，将出现2D草图LAYOUT。

点击“生成DXF文件”按钮将产生一个2DDXF文件，并将它存储起来。

它的文件名用“DXF文件”处输入的文件名确定。

DXF文件是由弧和线组成，弧用来显示镜头面的曲率。

如果是只使用球面（或平面）的透镜，那么弧可以完全的表示镜头。

但是，弧只能近似的表示非球面。

如果面是非球面，那么弧只有在顶点，最高点和最低点是正确的。

ZEMAX在这三个地方用适合的弧表示确切的面。

若光线未能射入到一个面，那么在发生该错误的面光线不画出。

如够光线发生全反射，那么在发生全反射的面入射的光线画出，出射的光线不画出。

选择分析>点列图>标准，将出现标准点列图SpotDiagram。

光线密度有一个依据视场数目，规定的波长数目和可利用的内存的最大值。

离焦点列图将追迹标准点列图最大值光线数目的一半光线。

列在曲线上的每个视场点的GEO点尺寸是参考点（参考点可以是主波长的主光线，所有被追迹的光线的重心，或点集的中点）到距离参考点最远的光线的距离。

换句话将，GEO点尺寸是由包围了所有光线交点的以参考点为中心的圆的半径。

RMS点尺寸是径向尺寸的均方根。

先把每条光线和参考点之间的距离的平方，求出所有光线的平均值，然后取平方根。

点列图的RMS尺寸取决于每一根光线，因而它给出光线扩散的粗略概念。

GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。

艾利圆环的半径是1.22乘以主波长乘以系统的F/#，它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。

对于均匀照射的环形入瞳，这是艾利圆环的第一个暗环的半径。

艾利圆环可以被随意的绘制来给出图形比例。

在点列图中，ZEMAX不能画出拦住的光线，它们也不能被用来计算RMS或GEO点尺寸。

ZEMAX根据波长权因子和光瞳变迹产生网格光线。

有最大权因子的波长使用由“RayDensity”选项设置的最多光线的网格尺寸。

有最小权因子的波长在图形中设置用来维持正确表达的较少光线的网格。

如果变迹被给定，光线网格也被变形来维持正确

的光线分布。

位于点列图上的RMS点尺寸考虑波长权因子和变迹因子。

但是，它只是基于光线精确追迹基础上的RMS点尺寸的估算。

在某些系统中它不是很精确。

像平面上参考点的交点坐标在每个点列图下被显示。

如果是一个面被确定而不是像平面，那么该坐标是参考点在那个面上的交点坐标。

既然参考点可以选择重心，这为重心坐标的确定提供了便利的途径。

选择分析>特性曲线>光路，将出现光路图OPDFAN。

目的是显示用光瞳坐标函数表示的光程差。

垂轴刻度在图形的下端给出。

绘图的数据是光程差，它是光线的光程和主光线的光程的差，通常，计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。

每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。

若显示所有波长，那么图形以主波长的参考球面和主光线为参照基准的。

若选择单色光那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。

由于这个原因，在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数据通常被改变。

选择分析>特性曲线>光线像差，将出现光线像差图RAYFAN。

目的：

显示作为光瞳坐标函数的光线像差。

横向特性曲线是用光线的光瞳的y坐标的函数表示的横向光线像差的x或y分量。

缺省选项是画出像差的y分量曲线。

但是由于横向像差是矢量，它不能完整的描述像差。

当ZEMAX绘制y分量时，曲线标称为EY，当绘制x分量时，曲线标称为EX。

垂轴刻度在图形的下端给出。

绘图的数据是光线坐标和主光线坐标之差。

横向特性曲线是以光瞳的y坐标作为函数，绘制光线和像平面的交点的x或y坐标和主波长的主光线x或y坐标的差。

弧矢特性曲线是以光瞳的x坐标作为函数，绘制光线和像平面的交点的x或y坐标和主波长的主光线x或y坐标的差。

每个曲线图的横向刻度是归一化的入瞳坐标PX或PY。

若显示所有波长，那么图形参考主波长的主光线。

若选择单色光那么被选择的波长的主光线被参照。

由于这个原因，在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数据通常被改变。

因为像差是有x和y分量的矢量，光线像差曲线不能完全描述像差，特别是像平面倾斜或者系统是非旋转对称时。

另外，像差曲线仅仅表示了通过光瞳的两个切面的状况，而不是整个光瞳。

像差曲线图的主要目的是判断系统中有哪种像差，它并不是系统性能的全面描述，尤其系统是非旋转对称时。

设计的最终ShadedModel模型如下：

三、结论

通过两周的光电课程设计，我不但学到了一些以前不懂的知识，而且更进一步学会使用了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，这不但是对新知识的学习，更是对新事物学习和接受能力的锻炼，因此我对此次光电课程设计感触和收获颇深！

刚开始，我们对设计的总体思路都没有一个大概的印象，课题拿到三天后，我都还没有着手设计，而是到图书馆和上网查阅资料，之后再是对我们课题进行慢慢的细细研究，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。

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，我们就要毕业走上工作岗位，这样的探索精神和能力无疑是我们学习和发展的重点和优点，实验最后要进行软件优化，可将各器件的参数自动优化成最适合参数。

四、指导教师评语及成绩

学生对课程设计以下几个方面综合评定：

设计目的及要求：

明确【　】不明确【】

设计涉及基本原理：

完整【】不完整【】

设计方案：

设计总体思路：

严谨【】存在纰漏【】

方案内容：

条理清晰正确【】

条理一般，论述基本正确【】

条理混论，存在抄袭【】

还存在其他问题：

指导教师签字（盖章）：

批阅日期：

2012年月日