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光学设计报告

100
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

光学设计课程报告

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目录

一、 双胶合望远物镜的设计……………………02
二、 摄远物镜的设计……………………………12
三、 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合…20
四、 艾尔弗目镜的设计…………………………30
五、 低倍消色差物镜的设计……………………38
六、 无限筒长的高倍显微物镜的设计…………47
七、 双高斯照相物镜的设计……………………52
八、 反摄远物镜的设计…………………………62
九、 课程总结……………………………………70

一、 双胶合望远物镜的设计

1、设计指标：
设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（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；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。
2、初始结构计算
(1) 求
根据光学特性的要求：

(2)计算平行玻璃板的像差和数
平行玻璃板入射光束的有关参数为

平行玻璃板本身的参数为
d=31mm； n=1.5163；
带入平行玻璃板的初级像差公式可得：

(3)根据整个系统的要求，求出系统的像差和数，，：
为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差为：，，

SⅠ=-0.001517
SⅡ=-0.001296
SⅠC=-0.000380
(4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜的

由于

因此双胶合物镜的像差和数为

(5)列出初级像差方程求P，W，C
P=-0.000115
W=-0.00303
C=-0.

(6)由P，W，C求
由于h=7.4，f’=85，因此有
hφ=hf'=7.485=0.0871
进而可得：

C=-0.0007
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：

C=-0.0007
将带入公式求
P0=-0.431
C=-0.0007

根据C=-0.0007，P0=-0.431查找玻璃组合。
最后选择K10-ZF3。其参数为：
K10： nD=1.5181 ν=58.9
ZF3： nD=1.7172 ν=29.5

(7)求透镜组半径

φ1=2.045
φ2=1-φ1=-1.045
Q=-4.11
1r2=-2.065
1r1=1.882
1r3=-0.607945
r1=0.53
r2=0.48
r3=1.64
以上半径对应焦距等于1，将它们乘以焦距f'=85,得到最后要求的半径为
r1=45.05
r2=-40.8
r3=-139.82
(8).确定透镜厚度
透镜厚度除了和球面半径和透镜直径有关外，同是要考虑到透镜的固定方法，质量要求，加工难易等因素，参考光学设计手册中的规定，我们取d1=4，d2=2。这样，双胶合物镜的全部结构参数为
r d Glass
r1=45.05 4 K10
r2=-40.8 2 ZF3
r3=-139.82
至此，双胶合望远物镜的初级像差求解全部完成了，物镜系统的全部结构参数如下：
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

初始结构的光学特性参数
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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : 91.45704 (系统温度和压力在空气中)
有效的焦点长度 : 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，将双胶合物镜的半径作为自变量。
优化后最终结果如下所示：
优化后的系统参数

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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : 85.05519 (系统温度和压力在空气中)

有效的焦点长度 : 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 0000000 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
经过对于点列图等其它报告的比较，能够看出系统的像差有了极大的改进，达到了系统所要求的像差范围。

二、摄远物镜设计
1、设计要求
焦距f'=320mm,通光口径D=60mm,视场2ω=1°，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)输入摄远物镜的半径、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)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，观察是否正确；
(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初始结构
系统参数

系统二维图

点列图

扇形像差

系统的MTF

系统的结构参数
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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : 332.8009 (系统温度和压力在空气中)
有效的焦点长度 : 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
优化后的系统结构参数

优化后的二维结构图

优化后的点列图

优化后的扇形像差

优化后的MTF

系统的结构参数
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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : 320.0284 (系统温度和压力在空气中)
有效的焦点长度 : 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
由上面能够看出，经过对系统的结构进行优化，系统的焦距达到了预期，而且成像质量也得到了很大的改进，系统的像差得到了极大的优化，经过观察点列图和MTF函数能够看出成像质量达到了预期。

三、 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合
1、设计要求
设计并优化对称式目镜；
将反向设计的对称式目镜反转而且与物镜配合，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
由于要与之前设计的双胶合物镜配合，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的位置
经过读取双胶合物镜的系统参数，能够知道物镜的出瞳距离（物镜成像面到出瞳面的距离）为-152.7983，
因此反向光路里面的光阑的位置=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

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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : 25.11461 (系统温度和压力在空气中)
有效的焦点长度 : 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
由系统参数看出系统的焦距不满足条件，需要优化。采用EFFL ，所有半径均为自变量。对称的半径用P标记跟随。
评价函数如下：

优化后的系统的二维结构图

优化后的扇形像差

优化后的点列图

经过点列图和扇形像差图能够看出，系统的像差已经满足系统的设计要求。
3、目镜与物镜的配合
组合后的系统参数

组合后的系统的二维结构图

组合后的点列图

组合后的系统的扇形像差

组合系统的MTF

组合系统的系统参数
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,统一的, 因子 = 0.00000E+000
有效的焦点长度 : -85.03861 (系统温度和压力在空气中)
有效的焦点长度 : -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