光学设计方案报告.doc

光学设计课程报告 班级： 学号： 姓名： 日期：目录一、 双胶合望远物镜设计02二、 摄远物镜设计12三、 对称式目镜设计与双胶合物镜配合20四、 艾尔弗目镜设计30五、 低倍消色差物镜设计38六、 无限筒长高倍显微物镜设计47七、 双高斯照相物镜设计52八、 反摄远物镜设计62九、 课程总结70一、 双胶合望远物镜设计1、设计指标：设计一种周视瞄准镜双胶合望远物镜（加棱镜），技术规定如下：视放大率：；出瞳直径：4mm；出瞳距离：不不大于等于20mm；全视场角：；物镜焦距：；棱镜折射率：n=1.5163(K9)；棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。2、初始构造计算(1)求依照光学特性规定： (2)计算平行玻璃板像差和数平行玻璃板入射光束关于参数为平行玻璃板自身参数为 d=31mm； n=1.5163； 带入平行玻璃板初级像差公式可得：(3)依照整个系统规定，求出系统像差和数，：为了保证补偿目镜像差，规定物镜系统（包括双胶合物镜和棱镜）像差为：， (4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜由于因此双胶合物镜像差和数为 (5)列出初级像差方程求P，W，C (6)由P，W，C求由于h=7.4，f=85，因而有进而可得： 由于望远镜自身对无限远物平面成像，因而无需再对物平面位置进行归化： 将带入公式求 依照，查找玻璃组合。最后选取K10-ZF3。其参数为：K10： ZF3： (7)求透镜组半径 以上半径相应焦距等于1，将它们乘以焦距,得到最后规定半径为 (8).拟定透镜厚度透镜厚度除了和球面半径和透镜直径关于外，同是要考虑到透镜固定办法，质量规定，加工难易等因素，参照光学设计手册中规定，咱们取，。这样，双胶合物镜所有构造参数为 r d Glass 4 K10 2 ZF3 至此，双胶合望远物镜初级像差求解所有完毕了，物镜系统所有构造参数如下： r d n 0(光阑) 35 1 45.05 4 1.5181(K10)-40.8 2 1.7172 (ZF3)-139.82 40 10 31 1.5163(K9)3、zmax初始构造输入将数据输入zmax后，输入成果如图 系统二维构造图 系统二维点列图 初始光线扇形图初始构造光学特性参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop周视1.ZMXTitle：Date ：WED JAN 14 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 7Stop ： 1系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： 91.45704 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： 91.45704 (在像空间)Back Focal Length ： 27.66368记录轨迹 ： 139.6637图像空间F/# ： 6.17953离轴工作面F/# ： 6.17953工作面F/# ： 6.184464Image Space NA ： 0.08064874物空间 NA ： 7.4e-010光阑半径 ： 7.4离轴像高 ： 8.001454近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 14.8入瞳区域 ： 0入瞳直径 ： 24.19548入瞳直径区域 ： -149.5167Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 5主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： 0.6116845Fields ：6Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths ：3Units：# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000004、zmax优化 优化过程中采用EFFL评价函数来控制透镜焦距，将双胶合物镜半径作为自变量。优化后最后成果如下所示：优化后系统参数 系统二维图 系统点列图 系统光线扇形图 优化后系统光学参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop周视1.ZMXTitle：Date ：WED JAN 14 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 7Stop ： 1系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： 85.05519 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： 85.05519 (在像空间)Back Focal Length ： 23.43016记录轨迹 ： 135.4302图像空间F/# ： 5.746973离轴工作面F/# ： 5.746973工作面F/# ： 5.769676Image Space NA ： 0.08667491物空间 NA ： 7.4e-010光阑半径 ： 7.4离轴像高 ： 7.441365近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 14.8入瞳区域 ： 0入瞳直径 ： 26.58762入瞳直径区域 ： -152.7983Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 5主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： 0.55665Fields ：6Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths ：3Units：# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000通过对于点列图等其她报告比较，可以看出系统像差有了极大改进，达到了系统所规定像差范畴。二、摄远物镜设计1、设计规定 焦距,通光口径,视场，像距54mmr d 246.55 13 1.5467 1.55282 1.54411(BAK3) -92.65 5 1.755 1.77475 1.74732(ZF6) -374.29 0.5 1 1 1 89.03 8 1.613 1.6 1.6100(ZK7) 601.6 93.53 1 1 1 52.4 4 1.6259 1.63733 1.62132(BAF8) -15.3 1.5 1.614 1.62187 1.61073(ZK8) 14.46 1 1 1(1)输入摄远物镜半径、厚度和玻璃材料；(2)输入光学特性参数：入瞳口径、视场角和三种波长；(3)拟定孔径光阑位置，光阑与第一面重叠；(4)将像距设定为抱负像距；(5)画二维或三维图，观测与否对的；(6)对像质进行评价，计算扇形像差、点列图、波像差和MTF;(7)将所有半径（光阑面除外）和厚度间隔设为变量；(8)建立评价函数，重复进行优化；(9)评价成像质量2、zmax初始构造 系统参数 系统二维图 点列图 扇形像差 系统MTF系统构造参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop桌面zmax光学LEN1.ZMXTitle：Date ：WED JAN 14 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 9Stop ： 1系统光圈 ：入瞳直径 = 60Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： 332.8009 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： 332.8009 (在像空间)Back Focal Length ： 57.84713记录轨迹 ： 183.3771图像空间F/# ： 5.546682离轴工作面F/# ： 5.546682工作面F/# ： 5.567151Image Space NA ： 0.08977994物空间 NA ： 3e-009光阑半径 ： 30离轴像高 ： 2.90431近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 60入瞳区域 ： 0入瞳直径 ： 15.06316入瞳直径区域 ： -83.55057Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 0.5主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： 3.983228Fields ：4Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.100000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths ：3Units：# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系统优化 优化后系统构造参数 优化后二维构造图 优化后点列图 优化后扇形像差 优化后MTF系统构造参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop22.ZMXTitle：Date ：WED JAN 14 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 9Stop ： 1系统光圈 ：入瞳直径 = 60Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： 320.0284 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： 320.0284 (在像空间)Back Focal Length ： 162.9745记录轨迹 ： 290.6838图像空间F/# ： 5.333807离轴工作面F/# ： 5.333807工作面F/# ： 5.337905Image Space NA ： 0.09333249物空间 NA ： 3e-009光阑半径 ： 30离轴像高 ： 2.792846近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 60入瞳区域 ： 0入瞳直径 ： 46.87756入瞳直径区域 ： -250.0358Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 0.5主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： 1.27993Fields ：4Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.100000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths ：3Units：# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000由上面可以看出，通过对系统构造进行优化，系统焦距达到了预期，并且成像质量也得到了很大改进，系统像差得到了极大优化，通过观测点列图和MTF函数可以看出成像质量达到了预期。三、 对称式目镜设计与双胶合物镜配合1、设计规定设计并优化对称式目镜；将反向设计对称式目镜反转并且与物镜配合，构成望远系统；R D GLASS76.64 1.5 AIR24.6 7.5 F3-30.62 0.1 K930.62 7.5 AIR-24.6 1.5 K9-76.64 166.7713 F30 -166.7713 AIR 由于要与之前设计双胶合物镜配合，可知目镜有如下系统规定：焦距出瞳不不大于等于20mm像方视场角拟定反向光路里面光阑位置通过读取双胶合物镜系统参数，可以懂得物镜出瞳距离（物镜成像面到出瞳面距离）为-152.7983，因此反向光路里面光阑位置=152.7983+22.973-9=166.77132、zmax初始构造 系统初始构造数据系统二维构造图扇形像差点列图系统特性参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop对称式目镜.ZMXTitle：Date ：WED JAN 14 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 9Stop ： 7系统光圈 ：入瞳直径 = 4Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： 25.11461 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： 25.11461 (在像空间)Back Focal Length ： 18.99954记录轨迹 ： 184.8713图像空间F/# ： 6.278652离轴工作面F/# ： 6.278652工作面F/# ： 6.276984Image Space NA ： 0.07938361物空间 NA ： 2e-010光阑半径 ： -11.76779离轴像高 ： 8.160231近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 4入瞳区域 ： -23.26791入瞳直径 ： 23.53559入瞳直径区域 ： 147.7718Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 18主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： -0.1699554Fields ：6Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 3.000000 1.000000 3 0.000000 6.000000 1.000000 4 0.000000 9.000000 1.000000 5 0.000000 14.000000 1.000000 6 0.000000 18.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths ：3Units：祄# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系统优化由系统参数看出系统焦距不满足条件，需要优化。采用EFFL ，所有半径均为自变量。对称半径用P标记跟随。评价函数如下：优化后系统二维构造图优化后扇形像差优化后点列图通过点列图和扇形像差图可以看出，系统像差已经满足系统设计规定。3、目镜与物镜配合组合后系统参数组合后系统二维构造图组合后点列图组合后系统扇形像差组合系统MTF组合系统系统参数System/Prescription DataFile ：C:UsersweihuaDesktop组合后.ZMXTitle：Date ：THU JAN 15 GENERAL LENS DATA:Surfaces ： 15Stop ： 1系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8Glass Catalogs ：SCHOTT CHINARay Aiming ：Off变迹 ：均衡,统一，因子 = 0.00000E+000有效焦点长度 ： -85.03861 (系统温度和压力在空气中)有效焦点长度 ： -85.03861 (在像空间)Back Focal Length ： 42.0431记录轨迹 ： 212.1278图像空间F/# ： 5.745852离轴工作面F/# ： 5.745852工作面F/# ： 5.787065Image Space NA ： 0.08669168物空间 NA ： 7.4e-010光阑半径 ： 7.4离轴像高 ： 7.439914近轴放大率 ： 0入瞳直径 ： 14.8入瞳区域 ： 0入瞳直径 ： 3.831852入瞳直径区域 ： -22.01725Field Type ：Angle in degrees最大视场 ： 5主光波长 ： 0.5875618镜头单位 ： 毫米角度放大率 ： -3.862362Fields ：6Field Type：Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000