單雙望遠物鏡的設計

1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目:單雙望遠物鏡的設計學院（系）：電氣工程學院年級專業(yè)： 10級儀表3班學 號： 1001030201 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 副教授 電氣工程學院課程設計任務書課程名稱： 光學儀器基礎課程設計 基層教學單位： 自動化儀表系 指導教師： 王志斌學號學生姓名（專業(yè)）班級10儀表3班設計題目單雙望遠物鏡的設計設計技術參數(shù)焦距f=100mm，相對孔徑為1：1.8, 。設計要求計算物鏡的各個參數(shù)；上機用軟件進行優(yōu)化，確定最后的設計結構，滿足像差要求。參考資料1、 劉鈞，高明編著，光學設計，2006，西安電子科技大學出版社，西安2、 光學儀器設計手冊，19

2、71，國防科技出版社，北京3、 光學設計軟件zemax應完成內(nèi)容計算設計處望遠物鏡的各個參數(shù)上機進行優(yōu)化設計，確定最后的設計結構指導教師簽字王志斌基層教學單位主任簽字謝平說明：1、此表一式三份，系、學生各一份，報送院教務科一份。 2、學生那份任務書要求裝訂到課程設計報告前面。電氣工程學院 教務科燕山大學課程設計評審意見表指導教師評語：成績： 指導教師： 2013年 7 月11 日答辯小組評語： 成績： 評閱人： 2013年7 月 11日課程設計總成績：答辯小組成員簽字：2013年7 月 11日摘 要望遠鏡是一種利用凹透鏡和凸透鏡觀測遙遠物體的光學儀器。利用通過透鏡的光線折射或光線被凹鏡反射使之

3、進入小孔并會聚成像，再經(jīng)過一個放大目鏡而被看到。又稱“千里鏡”。望遠鏡的第一個作用是放大遠處物體的張角，使人眼能看清角距更小的細節(jié)。望遠鏡第二個作用是把物鏡收集到的比瞳孔直徑（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使觀測者能看到原來看不到的暗弱物體。隨著科學技術的發(fā)展光學儀器已普遍應用在社會的各個領域。我們知道，光學儀器的核心部分是光學系統(tǒng)。然而一個高質量的成像光學系統(tǒng)是要好的光學設計來實現(xiàn)的，所以說，光學設計是實現(xiàn)各種光學儀器的基礎。光學設計要完成的工作包括光學系統(tǒng)設計和光學結構設計。所謂光學設計就是根據(jù)系統(tǒng)所提出的使用要求，來決定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設計出光學系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸、

4、各光組的結構等。大體可以分為兩個階段。第一階段根據(jù)儀器總體的要求，從儀器的總體出發(fā)，擬定出光學系統(tǒng)原理圖，并初步計算系統(tǒng)的外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學特性等。第二階段是根據(jù)初步計算結果，確定每個透鏡組的具體結構參數(shù)，以保證滿足系統(tǒng)光學特性和成像要求。這一階段的設計成為“相差設計”，一般簡稱光學設計。評價一個光學系統(tǒng)的好壞，一方面要看它的性能和成像質量，另一方面要系統(tǒng)的復雜度。一個系統(tǒng)設計的好壞應該是在滿足使用要求的情況下，結構設計最簡單的系統(tǒng)。目 錄第一章 zemax軟件介紹第2章 縮放法的簡介第3章 初始結構的參數(shù)及曲線第4章 優(yōu)化后的光學系統(tǒng)參數(shù)及曲線第5章 學習心得第六章 參考文

5、獻第一章 zemax軟件介紹zemax是美國focus software inc.所發(fā)展出的光學設計軟件，可做光學組件設計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學模型，并結合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運算seqential及non-seqential的軟件。 zemax 是一套綜合性的光學設計仿真軟件，它將實際光學系統(tǒng)的設計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。zemax 不只是透鏡設計軟件而已，更是全功能的光學設計分析軟件，具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點，與其它軟件不同的是 zemax 的 cad 轉文件程序都是雙向的，如iges、step、sat等格式都

6、可轉入及轉出。而且 zemax可仿真sequential 和non-sequential 的成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。zemax光學設計程序是一個完整的光學設計軟件，是將實際光學系統(tǒng)的設計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。包括光學設計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學系統(tǒng)進行設計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。zemax功能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。zemax能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統(tǒng)及非成像系統(tǒng)。 zemax 能夠在光學系統(tǒng)設計中實現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。zemax 的界面簡單易用，

7、只需稍加練習，就能夠實現(xiàn)互動設計。zemax 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實現(xiàn)。同時，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 zemax 時的一些慣用方法進行了解釋，對設計過程和各種功能進行了描述。 zemax目前已經(jīng)是被光電子領域熟知的光學設計的首選軟件。該軟件擁有兩大特點，就是可以實現(xiàn)序列和非序列分析。在全球范圍內(nèi)，這款軟件已經(jīng)被廣大的應用在設計顯示系統(tǒng)，照明，成像的使用系統(tǒng)，激光系統(tǒng)以及漫射光的設計應用方面。第二章 縮放法的簡介所謂縮放，即根據(jù)對光學系統(tǒng)的要求，找出性能參數(shù)比較接近的已有結構，將其各尺寸乘以縮放比k,，得到所求的系統(tǒng)結構，并估計像差的大小或變化趨勢。具

8、體步驟如下：（1） 根據(jù)所設計的外部參數(shù)，由手冊等資料選取比較接近的現(xiàn)有結構。外部參數(shù)指d、f、2w等。其中主要是f不能相差太大，相差太大即失去了原有數(shù)據(jù)的參考價值。（2） 根據(jù)焦距計算縮放比k：（3）將現(xiàn)有結構中的所有線量放大k倍，角量和相對量不變。（4） 估計使用條件下的相差和瞳孔位置的變化，所選的結構被放大后，所有線量相差進而也隨之放大，原有結構的使用條件不可能與現(xiàn)在的使用條件完全相同，但可以根據(jù)原來使用的孔徑和視場及相差曲線的趨勢，推算出新的使用條件下的相差值等。（5） 檢查和調(diào)整間隔（中心厚或邊緣厚），以滿足工藝要求，必要時更換玻璃材料。（6） 上機計算。首先檢查焦距是否為預想值，若

9、相差太遠，可復查縮放過程或原始值。再查其他值，或作像差矯正等。第三章 初始結構的參數(shù)及曲線查閱光學設計手冊得到單雙物鏡的類似結構系統(tǒng)，參數(shù)如下：名稱光學性能結構參數(shù)r/mmd/mmn單雙物鏡68.55-369.849.2-90.1665.31120.717.85.81.5163（k9）1.5163（k9）1.6475（zf1）縮放后結構系統(tǒng)，參數(shù)如下：名稱光學性能結構參數(shù)r/mmd/mmn單雙物鏡75.405-406.7854.12-99.17671.84113.20.7719.586.381.5163（k9）1.5163（k9）1.6475（zf1）選定視場角：w=4，0.707w=2.82

10、8原始數(shù)據(jù)如下優(yōu)化前的layouts (外形圖)優(yōu)化前的ray fan（光線曲線）優(yōu)化前的optical path difference (opd) fans（光程差曲線）優(yōu)化前的mtf分析曲線第4章 優(yōu)化后的光學系統(tǒng)參數(shù)及曲線優(yōu)化函數(shù)設置設定默認優(yōu)化函數(shù)：選擇工具欄editors merit function tools default merit function，在該選項框中選擇rms, spot radius, centroid, 其它項默認即可，選擇確定。為避免焦距變化過大，將其確定為初始值，即設定有效焦距effl為100，權重為1。優(yōu)化后參數(shù)如下：優(yōu)化后的layouts (外形圖)優(yōu)化后的ray fan（光線曲線）優(yōu)化后的optical path difference (opd) fans（光程差曲線）優(yōu)化后的spot diagrams (點列圖)通過觀察圖像及數(shù)據(jù)，除去個別數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各項誤差均有所減小，基本達到了優(yōu)化要求。第五章 學習心得光學設計課程結課已過去很長時間，重新學習起來稍有困難，在開始的前兩天通過上網(wǎng)查閱關于課程設計的資料，初步掌握縮放法的基本步驟，zemax是設計給光學系統(tǒng)的專業(yè)軟件，仔細閱讀老師給的資料以及向周圍的同學的學習，慢慢地知道了設計的基本過程，光學系統(tǒng)看似簡單，其實是一門學問很深的課程，優(yōu)化的過程很是考驗耐力，因為各種參數(shù)