幾類典型的目鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書學(xué)生姓名： 褚文博 學(xué) 號(hào)： 1105024219 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 光信息科學(xué)與技術(shù) 題 目： 幾類典型的目鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 陳友華 職稱: 講師 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(guò)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

2、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。通常在左右，廣角目鏡的視場(chǎng)在左右。（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(guò)程中，要求保證邊緣視場(chǎng)的主光線通過(guò)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

3、差并不通過(guò)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(guò)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)鏡和顯微鏡中，目前常用的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱爾納目鏡、對(duì)稱式目鏡。引言2第一章 設(shè)計(jì)原理41.1 目鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原理4（1）惠更斯目鏡結(jié)構(gòu)與原理4（1）冉斯登目鏡結(jié)構(gòu)與原理4（3）凱爾納目鏡結(jié)構(gòu)與原理5（4）對(duì)稱式目鏡結(jié)構(gòu)與原理51.2縮放法6第二章

4、 目鏡設(shè)計(jì)62.1原始數(shù)據(jù)分析62.2惠更斯目鏡設(shè)計(jì)62.3 冉斯登目鏡設(shè)計(jì)122.4 凱爾納目鏡設(shè)計(jì)172.5 對(duì)稱式目鏡設(shè)計(jì)23第三章 學(xué)習(xí)心得體會(huì)28參考文獻(xiàn)29第一章 設(shè)計(jì)原理1.1 目鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原理（1）惠更斯目鏡結(jié)構(gòu)與原理惠更斯（Huygoens)目鏡是由兩片未經(jīng)過(guò)色差校正的凸透鏡組成；靠近眼睛的一片稱為目透鏡，起放大作用；另一片稱為場(chǎng)透鏡，它的作用使映像亮度均勻。在兩塊透鏡之間的目透鏡焦平面放一光欄，把顯微刻度尺放在此光欄上，從目鏡中觀察到迭加在物象上的刻度。如下圖1.1所示，這就是所謂的惠更斯目鏡。 圖1.1 惠更斯目鏡結(jié)構(gòu) (2)冉斯登目鏡結(jié)構(gòu)與原理冉斯登目鏡，由兩個(gè)焦距相

5、等的平凸透鏡組成，兩個(gè)凸面相對(duì)，兩者的間距d等于焦距的23。冉斯登目鏡的球差、軸向色差和畸變等均小于惠更斯目鏡，但垂軸色差較大。若用消色差膠合透鏡代替接目鏡（稱為開爾納目鏡），則可校正垂軸色差。冉斯登目鏡可當(dāng)普通放大鏡使用。如下圖1.2所示，這就是所謂的冉斯登目鏡。圖1.2 冉斯登目鏡 （3）凱爾納目鏡結(jié)構(gòu)與原理凱爾納目鏡，以字母K表示，是冉斯登目鏡的改進(jìn)型，消除了冉斯登目鏡的色差，這種目鏡，視場(chǎng)大，常用在低倍率觀測(cè)上，如彗星或大面積的天體。結(jié)構(gòu)如圖1.3所示：圖1.3 凱爾納目鏡結(jié)構(gòu) （4）對(duì)稱式目鏡結(jié)構(gòu)與原理對(duì)稱式目鏡是一種中等視場(chǎng)的目鏡，由兩個(gè)相互對(duì)稱的雙膠合透鏡構(gòu)成，應(yīng)用廣泛，并且與其

6、他目鏡相比較，垂軸色差和軸向色差都能校正的較好，象散和慧差也可以校正得很好，場(chǎng)曲也比較小。是中等視場(chǎng)的目鏡中像質(zhì)較好的一種，出瞳距離也比較大，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。如下圖1.4所示，這就是所謂的對(duì)稱式目鏡圖1.4 對(duì)稱式目鏡結(jié)構(gòu)1.2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.檢查邊界條件第二章 目鏡設(shè)計(jì)2.1原始數(shù)據(jù)分析 本次課程在目鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中從一些專利文獻(xiàn)和鏡頭手冊(cè)中選出一些光學(xué)特性與所設(shè)計(jì)的目鏡盡可能接近的資料作為初始結(jié)構(gòu)。根據(jù)

7、各種類型目鏡基本光學(xué)特性之間的關(guān)系，確定所以選型是否合適，這關(guān)系到整個(gè)顯微物鏡設(shè)計(jì)的成敗。 本次課設(shè)要求的參數(shù)為入瞳直徑：4mm；半視場(chǎng)角25°；畸變小于10%； 本次課設(shè)所選定的初始結(jié)構(gòu)及各參數(shù)查自光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)2.2惠更斯目鏡設(shè)計(jì)(1) 數(shù)據(jù)分析 將數(shù)據(jù)輸入ZEMAX，如圖2.1.1所示：圖2.1.1 惠更斯目鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù) 點(diǎn)擊工具欄中Lay圖標(biāo)，出現(xiàn)優(yōu)化前物鏡系統(tǒng)平面剖面組，結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和不合理現(xiàn)象。如圖2.1.2所示：圖2.1.2 惠更斯目鏡初始結(jié)構(gòu)(2) 初始結(jié)構(gòu)像質(zhì)評(píng)價(jià) 1） 點(diǎn)擊工具欄中Ray圖標(biāo)，出現(xiàn)ray fan曲線圖，如圖2.1

8、.3所示：圖2.1.3 ray fan曲線ray fan表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 縱坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那條光線）在像面上的位置的相對(duì)數(shù)值。 2） 點(diǎn)擊工具欄中fcd圖標(biāo)，出現(xiàn)軸外細(xì)光束像差曲線，如圖2.1.4所示：圖2.1.4 軸外細(xì)光束像差曲線 左圖為像散場(chǎng)曲曲線，右圖為畸變曲線，縱坐標(biāo)為視場(chǎng)，橫坐標(biāo)左圖是 場(chǎng)曲，右圖是畸變的百分比值。綜合所示，初始數(shù)據(jù)所示的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不夠好，畸變比較大。 3） 光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）分析，單擊工具欄中的Mtf圖標(biāo)，出現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，如圖2.1.5所示：圖2.1.5 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函

9、數(shù) 圖像分析：所謂MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說(shuō)明該頻率的光強(qiáng)分布已無(wú)亮度變化，既該頻率被截止。這是利用光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。從理論上可以證明，像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍成的面積，曲線所圍成的面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此在光學(xué)系統(tǒng)的接收器截止頻率范圍內(nèi)，利用MTF曲線所圍成的面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是非常有效的。4） 點(diǎn)擊工具欄中Spt圖標(biāo)，出現(xiàn)spot diagram曲線圖，如圖2.1.6所示：圖2.1.

10、6 spot diagram曲線圖圖像分析：在幾何光學(xué)的成像過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖下方給的數(shù)可以看出每個(gè)視場(chǎng)的RMS RADIUS（均方根半徑值）、AIRY光斑半徑、GEO RADIUS為幾何半徑（最大半徑），值越小成像質(zhì)量越好。根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的各種幾何像差的影響，如是否有明顯像散或彗差特征，幾種色斑的分開程度如何等。對(duì)于點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣集中程度越高，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越高。就初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣分散，成像質(zhì)量不高。(3) 惠更斯目鏡

11、的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 一般來(lái)說(shuō)，透鏡組的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)可以作為優(yōu)化變參量與優(yōu)化，首先， 通過(guò)優(yōu)化曲率半徑的途徑來(lái)提高像質(zhì)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。 采用ZEMAX自動(dòng)優(yōu)化的方法：首先右擊第3和第5個(gè)面的Radius和兩透鏡的距離，選中Variable，點(diǎn)擊Opt按鈕，選中其中的Automatic，觀察優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與初始數(shù)據(jù)像差分析圖進(jìn)行比較，如果，光學(xué)系統(tǒng)得到優(yōu)化，則將該組曲率半徑固定，如果結(jié)果不盡如人意，則將保留原始數(shù)據(jù)。按照如此的思路，對(duì)本光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的曲率半徑依次進(jìn)行優(yōu)化，最終得到曲率半徑優(yōu)化完成的參數(shù)，并對(duì)圖像進(jìn)行分析。 得到的光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下：圖2.1.7 優(yōu)化后的ray fan曲線圖2.1

12、.8 優(yōu)化后的MTF圖2.1.9 優(yōu)化后的點(diǎn)列圖經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化后圖像的分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了一定的校正，優(yōu)化后的結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)果。優(yōu)化后的惠更斯目鏡的參數(shù)如圖2.1.10所示：圖2.1.10 優(yōu)化后的惠更斯目鏡參數(shù)2.3 冉斯登目鏡設(shè)計(jì)(1) 數(shù)據(jù)分析將數(shù)據(jù)輸入ZEMAX，如圖2.2.1所示：圖2.2.1 冉斯登目鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù)點(diǎn)擊工具欄中Lay圖標(biāo)，出現(xiàn)優(yōu)化前物鏡系統(tǒng)平面剖面組，結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和不合理現(xiàn)象。如圖2.2.2所示：圖2.2.2 冉斯登目鏡初始結(jié)構(gòu)(2) 初始結(jié)構(gòu)像質(zhì)評(píng)價(jià) 1） 點(diǎn)擊工具欄中Ray圖標(biāo)，出現(xiàn)ray fan曲線圖，如圖2.

13、2.3所示：圖2.2.3 ray fan曲線ray fan表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 縱坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那條光線）在像面上的位置的相對(duì)數(shù)值。 2） 點(diǎn)擊工具欄中fcd圖標(biāo)，出現(xiàn)軸外細(xì)光束像差曲線，如圖2.2.4所示：圖2.2.4 軸外細(xì)光束像差曲線 左圖為像散場(chǎng)曲曲線，右圖為畸變曲線，縱坐標(biāo)為視場(chǎng)，橫坐標(biāo)左圖是 場(chǎng)曲，右圖是畸變的百分比值。綜合所示，初始數(shù)據(jù)所示的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不夠好，畸變比較大。 3） 光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）分析，單擊工具欄中的Mtf圖標(biāo)，出現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，如圖2.2.5所示：圖2.2.5 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞

14、函數(shù) 圖像分析：所謂MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說(shuō)明該頻率的光強(qiáng)分布已無(wú)亮度變化，既該頻率被截止。這是利用光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。從理論上可以證明，像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍成的面積，曲線所圍成的面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此在光學(xué)系統(tǒng)的接收器截止頻率范圍內(nèi)，利用MTF曲線所圍成的面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是非常有效的。 4）點(diǎn)擊工具欄中Spt圖標(biāo)，出現(xiàn)spot diagram曲線圖，如圖2.2.6所示：圖2.2

15、.6 spot diagram曲線圖圖像分析：在幾何光學(xué)的成像過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖下方給的數(shù)可以看出每個(gè)視場(chǎng)的RMS RADIUS（均方根半徑值）、AIRY光斑半徑、GEO RADIUS為幾何半徑（最大半徑），值越小成像質(zhì)量越好。根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的各種幾何像差的影響，如是否有明顯像散或彗差特征，幾種色斑的分開程度如何等。對(duì)于點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣集中程度越高，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越高。就初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣分散，成像質(zhì)量不高。(3) 冉斯登目

16、鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化同惠更斯目鏡，得到的光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下：圖2.2.7 優(yōu)化后的ray fan曲線圖2.2.8 優(yōu)化后的MTF圖2.2.9 優(yōu)化后的點(diǎn)列圖經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化后圖像的分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了一定的校正，優(yōu)化后的結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)果。優(yōu)化后的惠更斯目鏡的參數(shù)如圖2.2.10所示：圖2.2.10 優(yōu)化后的惠更斯目鏡參數(shù)2.4 凱爾納目鏡設(shè)計(jì)(1) 數(shù)據(jù)分析將數(shù)據(jù)輸入ZEMAX，如圖2.3.1所示：圖2.3.1 凱爾納目鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù) 點(diǎn)擊工具欄中Lay圖標(biāo)，出現(xiàn)優(yōu)化前物鏡系統(tǒng)平面剖面組，結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和不合理現(xiàn)象。如圖2.3.2所示：圖2.3.2 惠更斯

17、目鏡初始結(jié)構(gòu)(2) 初始結(jié)構(gòu)像質(zhì)評(píng)價(jià) 1） 點(diǎn)擊工具欄中Ray圖標(biāo)，出現(xiàn)ray fan曲線圖，如圖2.3.3所示：圖2.3.3 ray fan曲線ray fan表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 縱坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那條光線）在像面上的位置的相對(duì)數(shù)值。 2） 點(diǎn)擊工具欄中fcd圖標(biāo)，出現(xiàn)軸外細(xì)光束像差曲線，如圖2.3.4所示：圖2.3.4 軸外細(xì)光束像差曲線左圖為像散場(chǎng)曲曲線，右圖為畸變曲線，縱坐標(biāo)為視場(chǎng)，橫坐標(biāo)左圖是 場(chǎng)曲，右圖是畸變的百分比值。綜合所示，初始數(shù)據(jù)所示的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不夠好，畸變比較大。 3） 光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）分析，單擊工具

18、欄中的Mtf圖標(biāo)，出現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，如圖2.3.5所示：圖2.3.5 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) 圖像分析：所謂MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說(shuō)明該頻率的光強(qiáng)分布已無(wú)亮度變化，既該頻率被截止。這是利用光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。從理論上可以證明，像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍成的面積，曲線所圍成的面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此在光學(xué)系統(tǒng)的接收器截止頻率范圍內(nèi)，利用MTF曲線所圍成的面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是非常有

19、效的。 4）點(diǎn)擊工具欄中Spt圖標(biāo)，出現(xiàn)spot diagram曲線圖，如圖2.3.6所示：圖2.3.6 spot diagram曲線圖圖像分析：在幾何光學(xué)的成像過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖下方給的數(shù)可以看出每個(gè)視場(chǎng)的RMS RADIUS（均方根半徑值）、AIRY光斑半徑、GEO RADIUS為幾何半徑（最大半徑），值越小成像質(zhì)量越好。根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的各種幾何像差的影響，如是否有明顯像散或彗差特征，幾種色斑的分開程度如何等。對(duì)于點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣集中程度越高

20、，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越高。就初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣分散，成像質(zhì)量不高。 (3) 凱爾納目鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用ZEMAX自動(dòng)優(yōu)化的方法：首先右擊第二個(gè)面的Radius，選中Variable， 點(diǎn)擊Opt按鈕，選中其中的Automatic，對(duì)第一組曲率半徑進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，觀察優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與初始數(shù)據(jù)像差分析圖進(jìn)行比較，如果，光學(xué)系統(tǒng)得到優(yōu)化，則將該組曲率半徑固定，如果結(jié)果不盡如人意，則將保留原始數(shù)據(jù)。按照如此的思路，對(duì)本光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的曲率半徑依次進(jìn)行優(yōu)化，最終得到曲率半徑優(yōu)化完成的參數(shù)，并對(duì)圖像進(jìn)行分析。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行Thickness優(yōu)化同理。經(jīng)分析，光學(xué)系統(tǒng)得到一部分完善，但是還有不足，

21、對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行人工優(yōu)化，改變光焦距和厚度中的單一變量（同時(shí)要以對(duì)稱式目鏡的對(duì)稱性為前提），觀察改變某一變量時(shí)各像差分析圖的變化趨勢(shì)，如果變化趨勢(shì)為光學(xué)系統(tǒng)趨于完善，那么保留此組數(shù)據(jù)的改變，如果結(jié)果表現(xiàn)出像差更明顯的情況，則保留原數(shù)據(jù)。按照此過(guò)程，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行再一次優(yōu)化。得到最終光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下：圖2.3.7 優(yōu)化后的Ray fan曲線圖2.3.8 優(yōu)化后的MTF圖2.3.9 優(yōu)化后的點(diǎn)列圖經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化后圖像的分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了一定的校正，優(yōu)化后的結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)果。優(yōu)化后的惠更斯目鏡的參數(shù)如圖2.3.10所示：圖2.3.10 優(yōu)化后的惠更斯目鏡參數(shù)2.5 對(duì)稱式目鏡設(shè)計(jì)(1

22、) 數(shù)據(jù)分析將數(shù)據(jù)輸入ZEMAX，如圖2.4.1所示：圖2.4.1 對(duì)稱式目鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù)點(diǎn)擊工具欄中Lay圖標(biāo)，出現(xiàn)優(yōu)化前物鏡系統(tǒng)平面剖面組，結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和不合理現(xiàn)象。如圖2.4.2所示：圖2.4.2 對(duì)稱式目鏡初始結(jié)構(gòu)(2) 初始結(jié)構(gòu)像質(zhì)評(píng)價(jià) 1） 點(diǎn)擊工具欄中Ray圖標(biāo)，出現(xiàn)ray fan曲線圖，如圖2.4.3所示：圖2.4.3 ray fan曲線圖像分析：在ZEMAX中有一個(gè)重要的分析手段，就是顯示ray fan圖。ray fan表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 縱坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那條光線）在像面上

23、的位置的相對(duì)數(shù)值。2） 點(diǎn)擊工具欄中fcd圖標(biāo)，出現(xiàn)軸外細(xì)光束像差曲線，如圖2.4.4所示：圖2.4.4 軸外細(xì)光束像差曲線左圖為像散場(chǎng)曲曲線，右圖為畸變曲線，縱坐標(biāo)為視場(chǎng)，橫坐標(biāo)左圖是 場(chǎng)曲，右圖是畸變的百分比值。綜合所示，初始數(shù)據(jù)所示的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不夠好，畸變比較大。3） 光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）分析，單擊工具欄中的Mtf圖標(biāo)，出現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，如圖2.4.5所示：圖2.4.5 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖像分析：所謂MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說(shuō)明該頻率的光強(qiáng)分布已無(wú)亮度變化，既該頻率被截止

24、。這是利用光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。從理論上可以證明，像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍成的面積，曲線所圍成的面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此在光學(xué)系統(tǒng)的接收器截止頻率范圍內(nèi)，利用MTF曲線所圍成的面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是非常有效的。如圖所示明顯可知，MTF曲線所圍成的面積過(guò)小，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量不高，所以需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。 4） 點(diǎn)擊工具欄中Spt圖標(biāo)，出現(xiàn)spot diagram曲線圖，如圖2.4.6所示：圖2.4.6 spot diagram曲線圖圖像分析：在幾何光學(xué)的成像過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)

25、光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖下方給的數(shù)可以看出每個(gè)視場(chǎng)的RMS RADIUS（均方根半徑值）、AIRY光斑半徑、GEO RADIUS為幾何半徑（最大半徑），值越小成像質(zhì)量越好。根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的各種幾何像差的影響，如是否有明顯像散或彗差特征，幾種色斑的分開程度如何等。對(duì)于點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣集中程度越高，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越高。就初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣分散，成像質(zhì)量不高。(3) 對(duì)稱式目鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 同凱爾納目鏡，得到的光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下：圖2.4.7 優(yōu)化后的Ray fan曲線圖2.4.8 優(yōu)化后的MTF圖2.4.9 優(yōu)化后的點(diǎn)列圖經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化后圖像的分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了一定的校正，優(yōu)化后的結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)果。優(yōu)化后的惠更斯目鏡的參數(shù)如圖2.4.10所示：圖2.4.10 優(yōu)化后的惠更斯目鏡參數(shù)第三章 學(xué)習(xí)心得體會(huì)通過(guò)本次光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，我不僅更加深刻的學(xué)習(xí)了光學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，而且學(xué)會(huì)使用了ZEMAX 常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)，也鍛煉了我們?cè)趯W(xué)習(xí)新軟件的能力，這是對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)，是