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光学设计课程报告

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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 1
0 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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\周视1.ZMX
Title：
Date ：WED JAN 14

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 7
Stop ： 1
系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 6.184464
Image 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 ： -149.5167
Field 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 ： 0.6116845

Fields ：6
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
5 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
6 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths ：3
Units：
# Value Weight
1 0.486133 1.000000
2 0.587562 1.000000
3 0.656273 1.000000
4、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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\周视1.ZMX
Title：
Date ：WED JAN 14

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 7
Stop ： 1
系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 5.769676
Image 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 ： -152.7983
Field 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 ： 0.55665

Fields ：6
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
5 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
6 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths ：3
Units：
# 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>54mm
r 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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\桌面\zmax光学\LEN1.ZMX
Title：
Date ：WED JAN 14

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 9
Stop ： 1
系统光圈 ：入瞳直径 = 60
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 5.567151
Image 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 ： -83.55057
Field 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 ： 3.983228

Fields ：4
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths ：3
Units：
# Value Weight
1 0.486133 1.000000
2 0.587562 1.000000
3 0.656273 1.000000
3、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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\22.ZMX
Title：
Date ：WED JAN 14

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 9
Stop ： 1
系统光圈 ：入瞳直径 = 60
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 5.337905
Image 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 ： -250.0358
Field 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 ： 1.27993

Fields ：4
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths ：3
Units：
# 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 GLASS
76.64 1.5 AIR
24.6 7.5 F3
-30.62 0.1 K9
30.62 7.5 AIR
-24.6 1.5 K9
-76.64 166.7713 F3
0 -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=166.7713
2、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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\对称式目镜.ZMX
Title：
Date ：WED JAN 14

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 9
Stop ： 7
系统光圈 ：入瞳直径 = 4
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 6.276984
Image 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 ： 147.7718
Field 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 ： -0.1699554

Fields ：6
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
5 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
6 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths ：3
Units：祄
# Value Weight
1 0.486133 1.000000
2 0.587562 1.000000
3 0.656273 1.000000
3、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 Data

File ：C:\Users\weihua\Desktop\组合后.ZMX
Title：
Date ：THU JAN 15

GENERAL LENS DATA:

Surfaces ： 15
Stop ： 1
系统光圈 ：入瞳直径 = 14.8
Glass Catalogs ：SCHOTT CHINA
Ray 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/# ： 5.787065
Image 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 ： -22.01725
Field 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 ： -3.862362

Fields ：6
Field 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 1.000000

Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN
1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000