光学设计实验报告.docx

1、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132 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183 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224 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

2、优化设计30五、总结分析335 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446 心得感悟45451 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

3、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 = tan w = DD1 4 . 8tan wD得入瞳直径D = 4mmh =2= 7 .2u = D 2 = 14.8 = 0.087f 170y = - f tanw = -85tan(-5) = 7.44J = nu y = 1 0.087 7.44 = 0.647zh = 35 tan(5 ) = 3.06212. 计算平行玻璃板的像差和数： SI, SP , SICu = u = 0.087； u = tan(-5 ) = -0.0875 ; u

4、z = -0.99z u 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 -1n3du4 = -31(0.087)4 1.51632 -11.51633= -0.00069慧差： S = S uz = -0.00069(-0.99) = 0.00068I u 轴向色差： SC= - d n -1u2 = -31v n21.5163 -164.11.51632(0.087)2 = -0.000823. 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

5、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L =0.1mm,SC = -0.001, DL= 0.05mm ，mmFC则S= -2nu2d L = -2(0.087)2 0.1 = -0.00151sS = -2nuK = -2nu(SCg y) = 0.00129FCSC = -nu2DL= -(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：S= SI系统 - SI棱镜= - 0.00151-(

6、-0.00069) = -0.00082S = SI系统 - SI棱镜=0.00129 - 0.00068 = 0.00061SC = 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S= hp = 7.4 p = -0.00082 ， p = -0.00011S = hz P - JW = -0.647W - 0.00034 = 0.00061，W = -0.000422SC = h2C = (7.4)2C = 0.00044， C = 0.000008(2)由 P,W,C 求 P ,W,CP =p(

7、hj )3W =W(hj )2= -0.00011 =-0.1670.0873= -0.000422 =-0.0560.0872C = Cg f = 0.00000885=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 P0P = P - 0.85(W- 0.15)2 = -0.167 - 0.85(-0.056 - 0.15)2 = -0.2030根据：C = 0.00068 ； P0 = -0.203从附表 2 得

8、到K9： nD = 1.5163ZF1： nD = 1.6475n = 64.1n = 33.9C = 0.00068 ； P0 = -0.203； Q0 = -4.584. 求透镜组半径j = C - 1 1 - 1 1v vv 2 12 = 0.00068 -1 1 -1 33.9 64.133.9 = 2.074j2 = 1-j1 = -1.074则Q = Q0- W - 0.15 = -4.58 - -0.056 - 0.15 = -4.457 1.671.67由上面的结果求半径：1r= j12+ Q = 2.074 - 4.457 = -2.3831 = j1 + 1r1n1 -1r

9、2=2.074 1.5163 -1- 2.383 = 1.6341 = 1 - j2= -2.383 -1.074= -0.724r3r2n2 -11.6475 -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 = -117.402mm5. 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

10、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rd玻璃材料r1 = 52.02r2 = -35.666r3 = -117.4026K94ZF1zD = 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 General Lens Data 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“SelectF，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

11、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

12、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 Merit Function Editor 菜单，弹出评价函数 Merit Function Editor 界面，然后单击 Default Merit Function，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

13、现在可以开始进行优化设计。单击 Tools 中的 Optimization，选中 Auto Update，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d L = 0.001829，K = -0.003249，DL= 0.000999，由于之前在计算该mSFC