光学设计课程报告.doc

光学设计课程报告
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目录
一、 双胶合望远物镜得设计……………………02
二、 摄远物镜得设计……………………………12
三、 对称式目镜得设计与双胶合物镜得配合…20
四、 艾尔弗目镜得设计…………………………30
五、 低倍消色差物镜得设计……………………38
六、 无限筒长得高倍显微物镜得设计…………47
七、 双高斯照相物镜得设计……………………52
八、 反摄远物镜得设计…………………………62
九、 课程总结……………………………………70
一、 双胶合望远物镜得设计
1、设计指标:
设计一个周视瞄准镜得双胶合望远物镜(加棱镜),技术要求如下:视放大率:;出瞳直径:4mm;出瞳距离: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;棱镜与物镜得距离40mm;孔径光阑为在物镜前35mm。
2、初始结构计算
(1) 求
根据光学特性得要求:

(2)计算平行玻璃板得像差与数
平行玻璃板入射光束得有关参数为

平行玻璃板本身得参数为
d=31mm; n=1、5163;
带入平行玻璃板得初级像差公式可得:

(3)根据整个系统得要求,求出系统得像差与数,,:
为了保证补偿目镜得像差,要求物镜系统(包含双胶合物镜与棱镜)得像差为:,,

(4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜得
由于

所以双胶合物镜得像差与数为

(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,因此有

进而可得:

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:

将带入公式求

根据,查找玻璃组合。
最后选择K10-ZF3。其参数为:
K10:
ZF3:
(7)求透镜组半径

以上半径对应焦距等于1,将它们乘以焦距,得到最后要求得半径为

(8)、确定透镜厚度
透镜厚度除了与球面半径与透镜直径有关外,同就是要考虑到透镜得固定方法,质量要求,加工难易等因素,参考光学设计手册中得规定,我们取,。这样,双胶合物镜得全部结构参数为
r d Glass
4 K10
2 ZF3

至此,双胶合望远物镜得初级像差求解全部完成了,物镜系统得全部结构参数如下:
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初始结构输入
将数据输入zmax后,输入结果如图

系统二维结构图

系统二维点列图

初始光线扇形图

初始结构得光学特性参数
System/Prescription Data
File : C:\Users\weihua\Desktop\周视1、ZMX
Title:
Date : WED JAN 14 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : 91、45704 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : 91、45704 (在像空间)
Back Focal Length : 27、66368
统计轨迹 : 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,将双胶合物镜得半径作为自变量。
优化后最终结果如下所示:
优化后得系统参数

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 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : 85、05519 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : 85、05519 (在像空间)
Back Focal Length : 23、43016
统计轨迹 : 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得比较,可以瞧出系统得像差有了极大得改善,达到了系统所要求得像差范围。
二、摄远物镜设计
1、设计要求
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、62012 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)输入摄远物镜得半径、厚度与玻璃材料;
(2)输入光学特性参数:入瞳口径、视场角与三种波长;
(3)确定孔径光阑位置,光阑与第一面重合;
(4)将像距设定为理想像距;
(5)画二维或三维图,观察就是否正确;
(6)对像质进行评价,计算扇形像差、点列图、波像差与MTF;
(7)将所有半径(光阑面除外)与厚度间隔设为变量;
(8)建立评价函数,反复进行优化;
(9)评价成像质量
2、zmax初始结构
系统参数

系统二维图

点列图

扇形像差

系统得MTF

系统得结构参数
System/Prescription Data
File : C:\Users\weihua\Desktop\桌面\zmax光学\LEN1、ZMX
Title:
Date : WED JAN 14 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : 332、8009 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : 332、8009 (在像空间)
Back Focal Length : 57、84713
统计轨迹 : 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
优化后得系统结构参数

优化后得二维结构图

优化后得点列图

优化后得扇形像差

优化后得MTF

系统得结构参数
System/Prescription Data
File : C:\Users\weihua\Desktop\22、ZMX
Title:
Date : WED JAN 14 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : 320、0284 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : 320、0284 (在像空间)
Back Focal Length : 162、9745
统计轨迹 : 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
由上面可以瞧出,经过对系统得结构进行优化,系统得焦距达到了预期,并且成像质量也得到了很大得改善,系统得像差得到了极大得优化,通过观察点列图与MTF函数可以瞧出成像质量达到了预期。
三、 对称式目镜得设计与双胶合物镜得配合
1、设计要求
设计并优化对称式目镜;
将反向设计得对称式目镜反转并且与物镜配合,组成望远系统;
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
由于要与之前设计得双胶合物镜配合,可知目镜有如下系统要求:
焦距
出瞳 大于等于20mm
像方视场角
确定反向光路里面光阑得位置
通过读取双胶合物镜得系统参数,可以知道物镜得出瞳距离(物镜成像面到出瞳面得距离)为-152、7983,
所以反向光路里面得光阑得位置=152、7983+22、973-9=166、7713
2、zmax初始结构
系统初始结构数据

系统二维结构图

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 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : 25、11461 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : 25、11461 (在像空间)
Back Focal Length : 18、99954
统计轨迹 : 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
由系统参数瞧出系统得焦距不满足条件,需要优化。采用EFFL ,所有半径均为自变量。对称得半径用P标记跟随。
评价函数如下:

优化后得系统得二维结构图

优化后得扇形像差

优化后得点列图

通过点列图与扇形像差图可以瞧出,系统得像差已经满足系统得设计要求。
3、目镜与物镜得配合
组合后得系统参数

组合后得系统得二维结构图

组合后得点列图

组合后得系统得扇形像差

组合系统得MTF

组合系统得系统参数
System/Prescription Data
File : C:\Users\weihua\Desktop\组合后、ZMX
Title:
Date : THU JAN 15 2015
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,统一得, 因子 = 0、00000E+000
有效得焦点长度 : -85、03861 (系统温度与压力在空气中)
有效得焦点长度 : -85、03861 (在像空间)
Back Focal Length : 42、0431
统计轨迹 : 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