光學(xué)課程設(shè)計(jì)縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡資料

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書燕山大學(xué)光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目： 縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡學(xué) 院：電氣工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：王志斌教師職稱：副教授燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系指導(dǎo)教師：王志斌學(xué)號(hào)學(xué)生姓名（專業(yè)）班級(jí)設(shè)計(jì)題目采用縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡。設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)技術(shù)要求為視場(chǎng)42°焦距30mm出瞳直徑3mm出瞳距離6mm設(shè) 計(jì) 要 求設(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滿 足像差要求參 考 資 料1、劉鈞，高明編著，光學(xué)設(shè)計(jì)，2006,西安電子科技大學(xué)出 版社，西安2、光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)，1971,國(guó)防科技出版社，北京3、

2、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX周次1-34-5應(yīng)兀 成 內(nèi) 容計(jì)算設(shè)計(jì)處望遠(yuǎn)物鏡的各個(gè)參數(shù)上機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最后的設(shè) 計(jì)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單 位主任簽字說(shuō)明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份。2013年7月6 日目錄第一章引言 4第二章設(shè)計(jì)原理 52.1 對(duì)稱式目鏡 52.2 縮放法 6第三章設(shè)計(jì)過程及上機(jī)軟件優(yōu)化分析 7第四章心得體會(huì) 23參考文獻(xiàn) 23第29頁(yè)共24頁(yè)第一章引言目鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。被視察的物體通過望遠(yuǎn)鏡和顯微物鏡成像在 目鏡的物方焦平面處，經(jīng)目鏡系統(tǒng)放大后將其成像在無(wú)窮遠(yuǎn)處，供人眼觀察。從目鏡的光學(xué)特性來(lái)講，具有以下特點(diǎn)：(1)焦距短。一般

3、目鏡的焦距在 15mm-30mm左右，和一般望遠(yuǎn)鏡比起來(lái)，焦距短 是它的一個(gè)特點(diǎn)。(2)相對(duì)孔徑比較小。由于目鏡的出射光束直接進(jìn)入人眼的瞳孔， 人眼瞳孔的直徑 一般在2mm-4mm左右變化，因此大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室儀器出瞳直徑一般在 2mm左右，目鏡焦 距常用的范圍為15mm-30mm,故目鏡的相對(duì)孔徑一般小于 1/5.(3)視場(chǎng)角大。通常在 40°左右，廣角目鏡的視場(chǎng)在 60°左右。(4)入瞳和出瞳遠(yuǎn)離透鏡組目鏡設(shè)計(jì)原則：在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，通常按反向光路計(jì)算像差，即假定物平面位于無(wú)限 遠(yuǎn)，目鏡對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)成像，在目標(biāo)的焦面上衡量系統(tǒng)的像差。至于目鏡的光瞳位置， 可以按兩種方式給出。第

4、一種方式是把實(shí)際系統(tǒng)的出瞳作為反向光路時(shí)目鏡的入瞳，給 出入瞳距離p,入瞳直徑D等于系統(tǒng)要求的出瞳直徑。在目鏡像差校正的過程中，要求 保證邊緣視場(chǎng)的主光線通過正向光路時(shí)物鏡的出瞳中心(即正向光路目鏡的入瞳中心).其他視場(chǎng)的主光線，由于存在光闌球差并不通過同一點(diǎn)，這樣計(jì)算出來(lái)的像差和實(shí)際成 像光束的像差雖完全不同，但一般較小，可以忽略。第二種方式是如果像差計(jì)算程序能 夠在給出實(shí)際光闌后自動(dòng)求出入瞳位置，并用調(diào)整主光線位置的方法，保證不同視場(chǎng)的 主光線通過實(shí)際光闌的中心。這樣可以把正向光路時(shí)物鏡的出瞳作為實(shí)際光闌給出，計(jì) 算出來(lái)的像差和實(shí)際成像光是的情況符合。本設(shè)計(jì)采用第一種方法。在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡

5、中，目前常用的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅耳目鏡、 對(duì)稱式目鏡、無(wú)畸變目鏡和廣角目鏡。對(duì)稱式目鏡是目前應(yīng)用很廣的一種中等視場(chǎng)的目鏡，本設(shè)計(jì)采用縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式 目鏡。第二章設(shè)計(jì)原理2.1對(duì)稱式目鏡對(duì)稱式目鏡的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它由兩個(gè)雙膠合透鏡組合而成，雖然目鏡組的總厚度比較大，我們?nèi)钥梢园阉醋?是一個(gè)薄透鏡組來(lái)近似的分析像差的性質(zhì)。由薄透鏡系統(tǒng)的消色差條件知道，如果這兩 個(gè)膠合透鏡分別消色差，則整個(gè)透鏡組同時(shí)消除了軸向色差和垂軸色差。根據(jù)薄透鏡組 單色像差的性質(zhì)，一個(gè)薄透鏡可以校正兩種象差，因此是能夠校正目鏡中需要矯正的象 差和慧差的。大多數(shù)對(duì)稱式目鏡采取兩個(gè)透鏡組完全相同，這樣比較

6、方便。對(duì)稱式目鏡的特點(diǎn)是垂軸色差和軸向色差都能校正的較好，象散和慧差也可以達(dá)到 . C很好的校正，出瞳距離較大，可以達(dá)到 lz/f電3/4,視場(chǎng)大約為40 。對(duì)稱式目鏡還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即場(chǎng)曲比較小。對(duì)于兩個(gè)分離薄透鏡組構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，它的總光焦度為：二 -d1212中 中二二上 0.7( 12) = 0.7( d 1 2)兩者之比為：71d i 2=0.7(1 +)由以上公式可以看到，當(dāng)中1,中2均為正時(shí)，兩透鏡之間的間隔 d隨之增加，則場(chǎng)曲隨之增大。當(dāng) 中1,邛2 一個(gè)為正另一個(gè)為負(fù)時(shí)，則 d增加，場(chǎng)曲減小，因此為了減 小一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲，應(yīng)該使系統(tǒng)中正透鏡盡量密接， 而負(fù)透鏡則和正透鏡盡

7、量遠(yuǎn)離。 在對(duì)稱式目鏡中，兩個(gè)正透鏡密接在中間，兩個(gè)負(fù)透鏡在兩側(cè)，因此場(chǎng)曲比較小。凱涅耳目鏡，冉斯登目鏡，惠更斯目鏡也全部是由正透鏡組成的，兩個(gè)正透鏡之間有較大的間隔，因此場(chǎng)曲比較大，它們對(duì)應(yīng)的冗/中值如下列所示：對(duì)稱式目鏡 :/；=0.6凱涅耳目鏡0.8冉斯登目鏡1.0惠更斯目鏡1.3對(duì)稱式目鏡是中等視場(chǎng)的目鏡中像質(zhì)比較好的的一種，出瞳距離也較大，有利于縮 小整個(gè)儀器的體積和重量，因此在一些中等倍率和出瞳距離要求較大的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中使用 的很多。2.2縮放法縮放法步驟：1 .物鏡選型2 .縮放焦距3 .更換玻璃(1)保持色差不變更換玻璃(2)更換玻璃校正色差4 .估算高級(jí)像差5 .檢查邊界條件表

8、1初始參數(shù)Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard74.651.5F37.2173053Standard24.597.5K98.2448484Standard-30.600.110.2521145Standard30.607.5K912.6869146Standard-24.591.5F312.8264087Standard-74.6518.5v13.409861IMAStandardInfinity-16.2135

9、38第三章設(shè)計(jì)過程及上機(jī)軟件優(yōu)化分析已知技術(shù)要求為視場(chǎng) 42°,焦距30mm,出瞳直徑3mm,出瞳距離6mm。具體過程如下。從相關(guān)資料中得到一種與設(shè)計(jì)要求較為接近的目鏡結(jié)構(gòu)。如果所選的目鏡參數(shù)越接 近所要設(shè)計(jì)的參數(shù)，則越容易校正和平衡像差，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將資料中的各項(xiàng)參 數(shù)輸入到計(jì)算程序相應(yīng)的選項(xiàng)中，見表 1。在工具欄里選擇“生成焦距”項(xiàng)，車入所要設(shè)計(jì)的的目鏡焦距30o,則系統(tǒng)自動(dòng)將初始的結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮放，縮放時(shí)所有的角量和相對(duì)量不變。得到的目鏡二維圖像如圖3所示。圖2目鏡的二維圖像本次設(shè)計(jì)的目鏡屬于對(duì)稱式目鏡，在一定的出瞳距離和視場(chǎng)角的要求下，系統(tǒng)的像差增大，重點(diǎn)和難點(diǎn)也在于校正和

10、平衡目鏡的彳差同時(shí)獲得理想的傳遞函數(shù)MTF。像差平衡是一項(xiàng)通過反復(fù)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)以逐步逼近最佳效果的工作。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于光學(xué)設(shè)計(jì)后，先是取代了繁瑣的光路計(jì)算，隨后又用于像差的自動(dòng)平衡。應(yīng)用像差的自動(dòng)平衡方法不僅大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，而且顯著提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。最后需對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，即認(rèn)為像差已全面平衡和校正得到良好程度后，需對(duì)像質(zhì)做全面評(píng)價(jià)，以確定設(shè)計(jì)結(jié)果是否達(dá)到要求。如果沒有達(dá)到要求，則仍需做像差平衡工作；如果屬于結(jié)構(gòu)形式的局限 或初始參數(shù)不合理，則應(yīng)另選結(jié)構(gòu)型式或另定初始參數(shù)，并重復(fù)前面的工作。對(duì)于不同 的設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用不同的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法。本次設(shè)計(jì)在人工調(diào)整階段利用像差變化圖進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的像差校

11、正時(shí)，假定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和像差之間符合線性關(guān)系(實(shí)際上，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和像差之間是非線性關(guān)系)。在這一階段，同時(shí)參加校正的像差數(shù)和自變量數(shù)都不能太多，在每次校正中選擇幾種重要的，對(duì)像質(zhì)影響較大的參數(shù)進(jìn)行校正。在調(diào)整階段，主要遵循以下原則：(1)入射角很大的一面彎向光纜， 以使主光線的的偏角盡量小， 從而減小軸外像差。(2)選擇對(duì)像差變化敏感、 貢獻(xiàn)量較大的曲面， 改變其曲率半徑，以調(diào)整該曲面對(duì) 整個(gè)系統(tǒng)的影響。(3)像差不可能完全校正到完美無(wú)缺的理想程度，最后的像差應(yīng)有的合理的匹配。這主要是指軸上點(diǎn)的像差與各個(gè)視場(chǎng)的軸外像差要盡可能一致。軸上點(diǎn)或近軸點(diǎn)的像差與軸外點(diǎn)的像差不要有太大的區(qū)別，使整個(gè)

12、視場(chǎng)內(nèi)的像質(zhì)比較均勻，至少使0.7視場(chǎng)以內(nèi)的像質(zhì)比較均勻。為確保 0.7視場(chǎng)內(nèi)有較好的成像質(zhì)量，必要時(shí)寧愿放棄全視場(chǎng)的像質(zhì)(讓它有較大的像差)，因?yàn)?.7視場(chǎng)以外是成像區(qū)的非主要區(qū)，其像質(zhì)可以適當(dāng)降低。(4)連續(xù)改變每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)以計(jì)算出相差變化量，從中可分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各種像差影響的大小和方向，最后決定改變那幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，變多少，向哪個(gè)方向變，再計(jì)算 出新的像差結(jié)果。多次重復(fù)前面的工作，直到整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。(5)利用透鏡自身或透鏡處于特殊位置時(shí)的像差性質(zhì)。例如，處于光闌位置或與光闌位置相接近的透鏡或透鏡組，主要用于改變球差和慧差；遠(yuǎn)離光闌位置的透鏡組，主要用于改變像散、畸變和倍率色差

13、。在像面或像面附近的場(chǎng)鏡可矯正像面彎曲。初始結(jié)構(gòu)的像差曲線為：TERHI二"EF;E F：RFFjl I F|口丁相口CEr匚.R3C-二二，二 ± EO0-OOOC1 . T'Ec'二.L匚F 口匚匚JI Id GEkEMS .二 i/,CCH I FTP IJF： AT Id l 1 CF 1口F T工匚門L FRTH PIFFEF：EI rc?E:THU TUI I =3 2D 1 LIIHKIMUri "'RLE： i 2C. 000 UflUES.，H Bn W我：O . = Ee-LB I；- - 2J-L .： UP：FACE

14、 ： IIIRGECTJl IFTlVI IF AJTril I 1 nF I-S . 口口匚血口 C-LIR'JhTURE*(E . C'OilILLlrETERC口工二丁口后丁二口廿FIELD CUF-"RJ'JF-E ' F工二TE丁工口HTHU JUH 二3 2Q11UR.HIIUII P-TELD TG 42-000 DEGREESHR1 fELEI C7HS : 0 . H&o口，E££0 . E"E'CLEN&.ZMX匚nriF工guefit：口11 i 匚- i11HUIFT E&#

15、187;.OEC ItlQ H； Q口 DEP口R； * 立 f|tlZ.FTiT DTFiCFflf IMl AH 左：OL1HIIH< HEE； aFItLP:1一?QT RPCILC ：Q1-1?7空。FfOILT :laa'7>7J7?"HLE EAR ；1DW陽(yáng)EFESE：CHIEF PRLEIJS.-ll.-.ri?| rF;TGUF：F|TIOI I 1 OF L由圖像得出該系統(tǒng)的球差，慧差，像散和場(chǎng)曲及垂軸色差都比較小，所以不用調(diào)整。下圖是初始結(jié)構(gòu)的 MTF曲線：3 (i.OD DBG K 二三-1。Dtt0.0020-00HD.CCiSPATIA

16、L FF：EDUEll?】工" t lK'LE二 FEE 11TLLIHETE：F：口 Q -I n E H S 二 IJ.uF-口 山 HJ.LL口.llJ='口1-1二一PC- j CHF'.ni SAT工U ULT巨MTPTHU JU I 二3 2011 HTH F?F： 口 JW3】 TO 口，口飆，占皿 CiJPRFKZE ： IllftQBLFHS."H.C'OI IPIGIJRATIOI F 1 OR 1從圖中可以看出，在空間頻率為40lp/mm時(shí)，軸外的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF不理想,所以要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高系統(tǒng)的傳函

17、值。Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard89.9333931.807101F37.1594223Standard29.6244099.035505K98.2647544Standard-36.8648600.12047312.3510705Standard36.8648609.035505K913.6290256Standard-29.6244091.807101F314.0688017Standard89.93

18、3393-20v14.836225IMAStandardInfinity-18.937944調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:調(diào)整后的二維圖像如下:J1 jXyl_-/.，'/ : ；" ''':-= -!s 一一二L-1-4- dfl-i i；i.,- - 1'-_11 1±. - / / / i / J ,11_:iLAYOUTTML> JLH =？ WilTCTAL. LEUGTH；HT，三口IIMLEUS roi IFTGLlF：F|-n二11舊li 1 OF 1調(diào)整后的像差曲線如下:TRFill?1 rEF.：'E F：F

19、| r FRII F LOTTHLi UH 二3 二口1IHR/.TI IUI ICRLE： i ipp.pW 3| . Her 口： 口小L日 H 一二IL.CCI IF:K?LIRRTTriri 1 OF iFIELD UU曰舊TLFEUILLIHETEF：；-FIELD rURURTURE ' DT2-T0P,TT0IITHLI TLH I 23 2011IIA. Tl IiJI I RTEL.D IS 9二 口。口 DEGREESi jft.'EL曰-®THW : 0 .0 .0./q LEHS.J I.rrn iPTGijRATIOir 1 。匚 ip

20、71;； p.ptp 'inEwhCEJ：匚兇 DEt¥V>： J3g >in：.FTit 口工祀F：RI|THU 7W 33 MHiUHTD HF：E 加FIELD;1jEK啊聯(lián),CC2FH;口斗CED EfidUC-：EE.bSt.120.564jCFILE FRF ;HOUF：FFEF：EHCE ； fflIFF Ffl f調(diào)整后的MTF曲線如圖:。一峪1C'.5tr&LEH1.K匚卬廬工GL舊父工口” 1所1prii/CHPrillATTr- Hi It I IT匚U一口 WHI U 口OJQQHTHU JUM 23 2D11口曰TFt F

21、|?F： £1. H8pI TO 0«(JU.ZijRF：RCE- IHHGELEIC.IH.口 口11匚工0JI=：RT3口I l J. 口匚 1由以上圖可以看出，雖然軸上的傳遞函數(shù)有明顯的改善，可是該系統(tǒng)的球差，慧差,像散，場(chǎng)曲及色差都明顯增大。再次經(jīng)過人工調(diào)整，得到的參數(shù)如下：Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard87.91.807101F37.1658633Standard32.19.0

22、35505K98.2220764Standard-360.0912.3510705Standard36.9.035505K913.5449456Standard-32.11.807101F314.0208617Standard-87.920v14.668772IMAStandardInfinity-18.527682調(diào)整后的二維圖像如下:11 .1 1_L /一LAYOUTTML> JLH L? ”11T口THL. LENGTH；M7 TOc-Ci llflILE1 匕.二 ILrn( lFTni_iF：FtTTni I 1 of 1口工二mF：TD二打+ rPEPr pi JT匚IEL

23、JU CLIF" 'RTURE: ' DII： TOF：TE'trTMU JLirr 3?二口 11 H工卜FJ!HELP 工二 H3 , C'PO 口EGF'EEEi.HELEM"匚，Q.歸二 口 怎2£口，;" LEI C-Z.lt-.CrillF：TCUPATIC'< L 口匚 J由：hiAlft： LE-E產(chǎn) HHGF-OT DIAGFAri"一吁氾 E： RlflTHUNUMZmi III (IT： HEE 通.FIELD:1j；價(jià)E RADI此：受GFli：*/，陽(yáng).TDl蒞；&

24、gt;£仁UEUG.-MX二亂E：的F ； ILVUFEFEF：F1 EE: ； LHIEf: F：Hi'口口”匚工PLF口丁工口“ L 口匚 1從上面的圖形可以看出， 該系統(tǒng)的像差得到了較好的校正，相差之間達(dá)到了合理的匹配。MTF曲線如下:LL口 山HILLCI g "!_*口口.1SPRTTRL 匚££：口1三卜II I 匚；匚L三二 FEE I IILL.TI tTERfol rcHFriitHTic rrDF iitfTHU Jin 二?刈DATA 匚口匚；P . 4c；c-l TO O .3 .dSUEFACB : II1F4CBLEN

25、? .ZJ1/.ror jFi:cijF：flTioi r i of i雖然較上次調(diào)整 MTF曲線有所下降，考慮到要有較小的像差，二者結(jié)合可以得到 較好的像質(zhì)。在保證技術(shù)指標(biāo)及透鏡和透鏡結(jié)構(gòu)工藝要求的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。優(yōu)化 結(jié)果如下：Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard87.91.807101F37.1658633Standard32.19.035505K98.2220764Standard-360.0

26、912.3510705Standard36.9.035505K913.5449456Standard-32.11.807101F314.0208617Standard-87.919.275221v14.668772IMAStandardInfinity-18.304998優(yōu)化后的二維圖像如下:修改半口徑得到較好的二維圖像:THU TUir 23 SOILTOTAL L.EI ItTH ' M7 工 口二口 I U Ii_曰rs.zi I.CriirF；XGUF ATTrii i 】rii= 像差圖像如下:口工二丁口ET二口LB二.二卜3rrii iFTGUPRTirii i ). 口f

27、 1叱匕既DE三FTELD CURVnTURl ' nTtTORTTOHTHU JUl i 二K二口 11MFV.il IUII FIELD I： H 二，口口口 口內(nèi)工時(shí)，I rw.它L.m 店 THS - 0 . q £ hI . E 2白白一 =FTiT DIHPF：HlMi 1W 23 第Uwhs 用e aFIELD:i二3FJE- FfiDIUS :55. ；l。 e.TPA113-172CEO F ftDTUS ：國(guó)，口U8戶區(qū)叫，到式第LF SRF；:KECEFtFRIIE；:CHIEF FR：E：”.j. COHFTGURRTl：Ol'i 1 OF JMTF曲線如下:IS U.w DKT5尸口 EG【二 HL.EiO 阻t Q 山ELLnl-'.?50口O DD20.004C-00SFHT'IHL EFEQUEI 忙'I Bl CiCLFS PEF. HTULlHETeRF-OL rCHRuKHTrC HUE IITFTHU T UI PTR 匚匚 二U匕仁口C匚:1 hili-i|。三一口In3 口1:1。三.上.LEIJS.HI.C-CiHPI