双胶合望远镜头设计要点.pdf

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1、XX 大学 课程设计说明书 201X/201X 学年第1 学期 学院：信息与通信工程学院 专业：XXXXXXXX 学生姓名：XXXXX 学 号： XXXXX 课程设计题目：双胶合望远镜头设计 起迄日 期：20XX 年 12月 22 日20XX 年 01 月 02日 课程设计地点：XX 大学 5 院楼 513、606 指导教 师：XXXX 职称 : 教授 目录 摘要1 关键词 1 第一章 课题要求 1.1 课题背景 .2 1.2 设计目的 .2 1.3 设计内容和要求 .2 第二章 方案分析 2.1 课题名称 .3 2.2 主要数据 .3 2.3 设计思路 .3 2.4 实现原理 .3 2.5

2、主要过程 .4 第三章 光学系统设计 3.1 光圈参数设定 .5 3.2 视场参数设定 .5 3.3 波长设定 .6 3.4 玻璃厚度的设定 .6 3.5 像空间的设定 .7 第四章 光学系统分析 4.1 2D 光路分布草图 7 4.2 标准点列图 Spot Diagram8 4.3 光路图 OPD FAN.9 4.4 光线相差图 RAY FAN.10 4.5 波前分布图 .11 第五章光学系统优化 5.1 光学系统调焦 .12 5.2 设置可变参数 .13 5.3 优化函数设定 .13 5.4 最终优化 .14 第六章系统优化前后比较 6.1 优化后的 2D草图15 6.2 优化后的标准点列

3、 .15 6.3 优化后光路图 .16 第七章 心得体会 心得体会 .17 摘要 ZEMAX 是一款多功能的光学设计软件， 可建立反射、折射、绕射等光学模型， 可以用来模拟、分析和辅助设计光学系统，并对光学系统进行优化。双胶合透镜 不仅有较好的横向分辨率，而且有较高的轴向分辨率，能够作为共焦3-D 成像的 一种理想光学元件，在光学领域得到了广泛的应用。本次课程设计，我们将利用 ZEMAX 软件设计一个双胶合望远镜头， 展示利用 ZEMAX 设计、分析和优化一个 简单光学系统的过程，进一步掌握该软件。 关键词 :ZEMAX双胶合望远镜头光学系统设计分析 第一章课题要求 1.1 课题背景 随着计算

4、机技术的不断进步和发展， 在光学系统的设计过程中越来越多得利 用到计算机技术， 其中 ZEMAX 就是一款应用十分广泛的的光学设计软件，具有 功能完善、操作简单、准确性高、人机交互性好等特点，极大地简化了光学系统 的设计过程。 1.2 设计目的： 本次课程设计是在学习专业基础课和专业课工程制图基础、C程序语言设计 基础、应用光学和精密仪器零件设计的基础上，主要在光学仪器、 程序设计实践、 光学设计计算与仿真等几个方面开展实践活动，巩固所学知识、培养动手能力。 1.3 设计内容和要求： 1) 掌握 Zemax 光学设计的软件的使用方法； 2) 理解双胶合透镜的组成及其消色差、球差的原理； 3)

5、设计光源的波长为632.8nm,焦距为 100mm，相对孔径为 1:5； 4) 给出透镜的具体设计参数、波前分布、结构图、评价函数、求差和点列图。 5)参考五篇相关论文。 第二章方案分析 2.1 课题名称 双胶合望远镜头设计 2.2 主要数据 （1）透镜的具体设计参数 （2）波前分布 （3）结构图 （4）评价函数 （5）差和点列图 2.3 设计思路 1、查阅相关资料学习双胶合透镜的基本构造和原理； 2、了解 ZEMAX 光学软件的基本功能并学习该软件的基本操作； 3、利用 ZEMAX 进行镜头的初步设计并进一步熟悉该软件的使用； 4、对光学系统进行进一步的分析和优化，达到所定参数要求； 2.4

6、 实现原理 1 、双胶合透镜的原理：单正透镜具有负球差，单负透镜具有正球差，所以 单透镜是不能校正球差的。在光焦度一定时，玻璃的阿贝数越大，色差越小，通 常情况下， 正透镜产生负色差， 负透镜产生正色差， 因此消色差的光学系统往往 都是将正负透镜进行组合， 以实现它们的色差互补。 消色差双胶合透镜是一种把 低分散的玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的消色差透镜。设计 时，在蓝色（ 486.1nm ），绿色（ 546.1nm ）和红色（ 656.3nm ）三个波长，对 分散的不同值和透镜形状进行了优化，实现了最小色差。因此，此类透镜可在 整个可见光区域使用。 其球差在设计时也进行了优化，

7、和单个透镜相比， 消色差 双胶合透镜的球差要小得多。 使用于无限共轭状态时， 其球差最小， 并且消色差 双胶合透镜都镀了可见光（400700 nm ）用宽带防反射多层膜。 2、望远镜镜头的原理：单透镜物镜色差和球差都相当严重，现代的折射望 远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜。其中以双透镜物镜应用最普遍。 它由 相距很近的一块玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，对两个特 定的波长完全消除位置色差， 对其余波长的位置色差也可相应减弱，如图 1 所示 在满足一定设计条件时， 还可消去球差和彗差。 由于剩余色差和其他像差的影响， 双透镜物镜的相对口径较小，一般为1/15-1/20 ，很少

8、大于 1/7 ，可用视场也不 大。口径小于 8 厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称双胶合物镜， 留有一定间隙未胶合的称双分离物镜。为了增大相对口径和视场，可采用多透 镜物镜组。对于伽利略望远镜来说，结构非常简单，光能损失少。镜筒短，很轻 便。而且成正像，但倍数小视野窄，一般用于观剧镜和玩具望远镜。对于开普勒 望远镜来说， 需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正 像。 图 1 消色差原理图 2.5 主要过程 研究课题原理分析设计透镜参数熟悉ZEMAX 软件利用软件设计光学 系统系统的分析和优化 第三章 光学系统设计 镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据

9、填入就形成了镜 头数据。这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。单透镜由 两个面组成 ( 前面和后面 ) ， 物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直 接输入到电子表格中。当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需 要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具 有不同特性的数据，每一行表示一个光学面 ( 或一个 )。移动光标可以到需要的 任意行或列， 向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数 据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。屏幕显示可 以从左到右或从与右到左滚动。”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到

10、所在 列的头部或尾部。当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。 3.1 光圈参数设定 先打开 ZEMAX 软件，根据设计要求修改系统设定, 包括系统孔径 , 镜头单位， 视场，和波长。 1. 焦距为 100mm ；2. 波长为 0.6328um;3. 光源为无穷远处 ;4. 像 空间 F/ =4；5. 前一块玻璃为BAK1,后一块玻璃为F3。根据要求的设计参数计 算物方孔径 EPD 。提供的有效焦距efl 为 100mm ，像空间 F/=5 。 EPD efl /#F （1.1 ） 由公式（ 1.1 ）得物方孔径 EPD约等于 20。 如图 2 所示，在 ZEMAX 主菜单软件中，

11、选择系统 通用配置，在弹出的对 话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择20，单位毫米。 图 2 光圈参数设定 3.2 视场参数设定 在 ZEMAX 主菜单软件中，选择系统 视场，弹出对话框，如图3 所示，视 场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0, 0), (0, 3)和 (0, 5)。： 图 3 视场参数设定 3.3 波长设定 如图 4 所示，在 ZEMAX 主菜单软件中，选择系统 波长，在弹出的对话框 中，选择要求的波长0.6328um，单击确定完成配置。 图 4 波长设定 系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。 3.4 玻璃厚度的设定 添加镜面，设计要求双胶合镜头，所以添加2 个镜

12、面，如图 5 所示，在镜面编 辑窗口中选择编辑 插入曲面。曲面插入完毕，即可向镜头数据编辑窗口写入 镜头数据。设计要求第一块镜面材料BAK7第二块镜面材料为F3。在 glass 窗口中 写入材料的类型。 在 Thickness 栏中填入玻璃厚度。 图 5 玻璃厚度的设定 3.5 像空间的设定 如图 6 所示，设定像空间数据，使用求解去执行设计约束，设置像空间F/# 为恒定值 5。 图 6 像空间的设定 第四章光学系统的分析 4.1 2D 光路分布草图 步骤：选择分析 草图2D草图，将出现 2D草图 LAYOUT 。 目的：显示光线的大致传播路径。 点击“生成 DXF 文件”按钮将产生一个 2D

13、 DXF 文件，并将它存储起来。它的 文件名用“ DXF 文件”处输入的文件名确定。如图7所示，DXF 文件是由弧和线组 成，弧用来显示镜头面的曲率。如果是只使用球面 ( 或平面 ) 的透镜，那么弧可 以完全的表示镜头。但是，弧只能近似的表示非球面。如果面是非球面，那么弧 只有在顶点， 最高点和最低点是正确的。 ZEMAX 在这三个地方用适合的弧表示确 切的面。若光线未能射入到一个面， 那么在发生该错误的面光线不画出。如够光 线发生全反射，那么在发生全反射的面入射的光线画出，出射的光线不画出。 图7 2D光路分布草图 4.2 标准点列图 Spot Diagram 步骤：选择分析 点列图 标准，

14、将出现标准点列图Spot Diagram 。 目的：光线密度有一个依据视场数目，规定的波长数目和可利用的内存的最 大值。离焦点列图将追迹标准点列图最大值光线数目的一半光线。 列在曲线上的每个视场点的GEO 点尺寸是参考点（参考点可以是主波长的主 光线，所有被追迹的光线的重心， 或点集的中点） 到距离参考点最远的光线的距 离。如图 8所示， GEO 点尺寸是由包围了所有光线交点的以参考点为中心的圆的 半径。RMS 点尺寸是径向尺寸的均方根。 先把每条光线和参考点之间的距离的平 方，求出所有光线的平均值， 然后取平方根。 点列图的 RMS 尺寸取决于每一根光 线，因而它给出光线扩散的粗略概念。 图

15、 8 标准点列图 Spot Diagram GEO 点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。艾利圆环的半径是1.22 乘以主波长乘以系统的 F/# ，它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。对于均匀 照射的环形入瞳， 这是艾利圆环的第一个暗环的半径。艾利圆环可以被随意的绘 制来给出图形比例。 在点列图中，ZEMAX 不能画出拦住的光线， 它们也不能被用来计算 RMS 或GEO 点尺寸。ZEMAX 根据波长权因子和光瞳变迹产生网格光线。有最大权因子的波长 使用由“ Ray Density ”选项设置的最多光线的网格尺寸。有最小权因子的波长 在图形中设置用来维持正确表达的较少光线的网格。如果变迹被给定

16、， 光线网格 也被变形来维持正确的光线分布。 位于点列图上的 RMS 点尺寸考虑波长权因子和 变迹因子。 但是，它只是基于光线精确追迹基础上的RMS 点尺寸的估算。 在某些 系统中它不是很精确。 像平面上参考点的交点坐标在每个点列图下被显示。如果 是一个面被确定而不是像平面， 那么该坐标是参考点在那个面上的交点坐标。既 然参考点可以选择重心，这为重心坐标的确定提供了便利的途径。 4.3 光路图 OPD FAN 步骤：选择分析 特性曲线 光路，将出现光路图OPD FAN 。 目的：是显示用光瞳坐标函数表示的光程差。 垂轴刻度在图形的下端给出。如图9所示，绘图的数据是光程差，它是光线 的光程和主光

17、线的光程的差，通常，计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。 每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。若显示所有波长， 那么图形以主波长 的参考球面和主光线为参照基准的。 若选择单色光那么被选择的波长的参考球面 和主光线被参照。 由于这个原因， 在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数 据通常被改变。 图 9 光路图 OPD FAN 4.4 光线相差图 RAY FAN 步骤：选择分析 特性曲线 光线像差，将出现光线像差图RAY FAN 。 目的：显示作为光瞳坐标函数的光线像差。 横向特性曲线是用光线的光瞳的y 坐标的函数表示的横向光线像差的x 或y 分量。缺省选项是画出像差的 y 分量曲线。 但是

18、由于横向像差是矢量， 它不能完 整的描述像差。当ZEMAX 绘制y 分量时，曲线标称为 EY ， 当绘制 x 分量时，曲 线标称为 EX 。垂轴刻度在图形的下端给出。如图10所示，绘图的数据是光线坐标 和主光线坐标之差。 横向特性曲线是以光瞳的 y 坐标作为函数， 绘制光线和像平 面的交点的 x 或y 坐标和主波长的主光线 x 或y 坐标的差。 图 10 光线像差图 RAY FAN 弧矢特性曲线是以光瞳的 x 坐标作为函数，绘制光线和像平面的交点的x或y 坐标和主波长的主光线 x 或y 坐标的差。每个曲线图的横向刻度是归一化的入 瞳坐标 PX 或PY 。若显示所有波长， 那么图形参考主波长的主

19、光线。若选择单色 光那么被选择的波长的主光线被参照。由于这个原因， 在单色光和多色光切换显 示时，非主波长的数据通常被改变。因为像差是有 x 和y 分量的矢量， 光线像差 曲线不能完全描述像差， 特别是像平面倾斜或者系统是非旋转对称时。另外，像 差曲线仅仅表示了通过光瞳的两个切面的状况，而不是整个光瞳。 像差曲线图的 主要目的是判断系统中有哪种像差，它并不是系统性能的全面描述， 尤其系统是 非旋转对称时。 4.5 波前分布图 步骤：选择分析 波前波前列表，将出现波前分布图。 目的：显示光波透过透镜后的传播路径。 如图 11 所示，波前面是某时刻刚刚开始位移的质点构成的面。它代表某时刻 波能量到

20、达的空间位置，它是运动着的。波前与射线成正交。因此，使用射线或 波前来研究波是等效的。 根据波前的形状一般可以把波分为球面波、平面波，柱 面波等。同一波阵面上各点的振动相位相同。它表示了光标经过透镜后的传播的 状态。 图 11 波前分布图 第五章光学系统优化 5.1 光学系统调焦 步骤：选择工具 杂项 快速对焦，在弹出的窗口中点选以像平面上光 线的重心为参照计算选项。 目的：通过调整后截距对光学系统快速调焦。 从 2D 草图可以看出，镜头的性能参数并非最优，原因是像平面的位置并未 确定， ZEMAX 提供自动对焦的工具，如图12 所示，选择辐射状向斑点大小来 进行快速对焦。 图 12 光学系统

21、快速调焦 本功能调整像平面前面的厚度。厚度是依照RMS 像差最小化的原则选择的。 最佳调焦位置与标准的选择有关。RMS 用定义的视场， 波长和权因子计算整个视 场的多色光的平均值。 5.2 设置可变参数 步骤：在 ZEMAX 主菜单软件中，选择编辑 优化函数，在弹出的窗口中选 择 工具 默认优化函数。 完成后进行进一步优化， 建立默认的评价函数。 设置 可变参数。 目的： 评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表 示。如图 13 所示，设定可变参数，即可创建默认评价函数DMF 。 图 13 设置可变参数 ZEMAX 使用了一系列操作数， 它们分别代表系统不同的约束和目标。操作

22、数 代表的目标如像质，焦距，放大率，和其他一些。定义一个评价函数的最容易的 方法就是在评价函数编辑界面的菜单条中选择工具，默认评价函数选项， 这时出 现一个对话框，这将允许你选择一些选项来构建默认评价函数。 5.3 优化函数设定 如图14所示，玻璃边缘厚度填入最小2mm ，最大 12mm 。点确定后，评价函数 编辑窗口出现优化函数。 MTF 操作数可正确地计算出像由分析，衍射菜单选项得 到的图形一样的完整的衍射或几何MTF 值。因此，那些MTF 曲线图中产生非法数 据的系统在优化过程中也将产生没有意义的数据。 图14 优化函数设定 5.4 最终优化 步骤：选择工具 优化 优化在弹出的窗口中执行

23、最终优化，优化步骤 及结果如图 15 和图 16 所示。 图 15 最终优化结果 图 16 最终优化结果 第六章系统优化前后比较 6.1 优化后的 2D草图： 从图17中可以看出，总长度为 98.94704毫米。镜头完成对焦，调整像平面前 面的厚度。厚度是依照 RMS 像差最小化的原则选择的。 有多种不同的 RMS 计算方 法。最佳调焦位置与标准的选择有关。RMS 用定义的视场， 波长和权因子计算整 个视场的多色光的平均值。 图 17 优化后的 2D草图 6.2 优化后的标准点列： RMS 点尺寸是径向尺寸的均方根。先把每条光线和参考点之间的距离的平 方，求出所有光线的平均值，然后取平方根。如

24、图18所示，点列图的 RMS 尺寸取 决于每一根光线，因而它给出光线扩散的粗略概念。GEO 点尺寸只给出距离参考 点最远的光线的信息。 艾利圆环的半径是 1.22 乘以主波长乘以系统的 F# ，它通 常依赖于视场的位置和光瞳的方向。对于均匀照射的环形入瞳， 这是艾利圆环的 第一个暗环的半径。 图 18 优化后标准点列图 6.3 优化后光路图： 垂轴刻度在图形的下端给出。如图19所示，绘图的数据是光程差，它是光 线的光程和主光线的光程的差， 通常， 计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。 每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。若显示所有波长， 那么图形以主波长 的参考球面和主光线为参照基准的。 若选择单色光那么被选择的波长的参考球面 和主光线被参照。 由于这个原因， 在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数 据通常被改变。 图 19 优化后的光路图 第七章心得体会