单双望远物镜的设计.doc

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1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目:单双望远物镜的设计学院（系）：电气工程学院年级专业： 10级仪表3班学 号： 1001030201 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 副教授 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 光学仪器基础课程设计 基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师： 王志斌学号学生姓名（专业）班级10仪表3班设计题目单双望远物镜的设计设计技术参数焦距f=100mm，相对孔径为1：1.8, 。设计要求计算物镜的各个参数；上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求。参考资料1、 刘钧，高明编著，光学设计，2006，西安电子科技大学出版社，西安2、 光学仪器设计手册，19

2、71，国防科技出版社，北京3、 光学设计软件ZEMAX应完成内容计算设计处望远物镜的各个参数上机进行优化设计，确定最后的设计结构指导教师签字王志斌基层教学单位主任签字谢平说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 2013年 7 月11 日答辩小组评语： 成绩： 评阅人： 2013年7 月 11日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：2013年7 月 11日摘 要望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之

3、进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。随着科学技术的发展光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。我们知道，光学仪器的核心部分是光学系统。然而一个高质量的成像光学系统是要好的光学设计来实现的，所以说，光学设计是实现各种光学仪器的基础。光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、

4、各光组的结构等。大体可以分为两个阶段。第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。这一阶段的设计成为“相差设计”，一般简称光学设计。评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。目 录第一章 ZEMAX软件介绍第二章 缩放法的简介第三章 初始结构的参数及曲线第四章 优化后的光学系统参数及曲线第五章 学习心得第六章 参考文

5、献第一章 ZEMAX软件介绍ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都

6、可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX 的界面简单易用，

7、只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。 ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。第二章 缩放法的简介所谓缩放，即根据对光学系统的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比K,，得到所求的系统结构，并估计像差的大小或变化趋势。具

8、体步骤如下：（1） 根据所设计的外部参数，由手册等资料选取比较接近的现有结构。外部参数指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数据的参考价值。（2） 根据焦距计算缩放比K：（3）将现有结构中的所有线量放大K倍，角量和相对量不变。（4） 估计使用条件下的相差和瞳孔位置的变化，所选的结构被放大后，所有线量相差进而也随之放大，原有结构的使用条件不可能与现在的使用条件完全相同，但可以根据原来使用的孔径和视场及相差曲线的趋势，推算出新的使用条件下的相差值等。（5） 检查和调整间隔（中心厚或边缘厚），以满足工艺要求，必要时更换玻璃材料。（6） 上机计算。首先检查焦距是否为预想值，若

9、相差太远，可复查缩放过程或原始值。再查其他值，或作像差矫正等。第三章 初始结构的参数及曲线查阅光学设计手册得到单双物镜的类似结构系统，参数如下：名称光学性能结构参数r/mmd/mmn单双物镜68.55-369.849.2-90.1665.31120.717.85.81.5163（K9）1.5163（K9）1.6475（ZF1）缩放后结构系统，参数如下：名称光学性能结构参数r/mmd/mmn单双物镜75.405-406.7854.12-99.17671.84113.20.7719.586.381.5163（K9）1.5163（K9）1.6475（ZF1）选定视场角：w=4，0.707w=2.82

10、8原始数据如下优化前的Layouts (外形图)优化前的Ray Fan（光线曲线）优化前的Optical Path Difference (OPD) Fans（光程差曲线）优化前的MTF分析曲线第四章 优化后的光学系统参数及曲线优化函数设置设定默认优化函数：选择工具栏Editors Merit Function Tools Default Merit Function，在该选项框中选择RMS, Spot Radius, Centroid, 其它项默认即可，选择确定。为避免焦距变化过大，将其确定为初始值，即设定有效焦距EFFL为100，权重为1。优化后参数如下：优化后的Layouts (外形图)

11、优化后的Ray Fan（光线曲线）优化后的Optical Path Difference (OPD) Fans（光程差曲线）优化后的Spot Diagrams (点列图)通过观察图像及数据，除去个别数据，发现各项误差均有所减小，基本达到了优化要求。第五章 学习心得光学设计课程结课已过去很长时间，重新学习起来稍有困难，在开始的前两天通过上网查阅关于课程设计的资料，初步掌握缩放法的基本步骤，ZEMAX是设计给光学系统的专业软件，仔细阅读老师给的资料以及向周围的同学的学习，慢慢地知道了设计的基本过程，光学系统看似简单，其实是一门学问很深的课程，优化的过程很是考验耐力，因为各种参数的变化，加上自己的知识又不充分，学习起来很是吃力。总的来讲，这次课程设计使我懂得了ZENAX的一些基本知识以及设计光学系统的基本过程，加深了我对光学设计知识的理解，提高了动手操作能力。第六章 参考文献1、刘钧，高明编著，光学设计，2006，西安电子科技大学出版社，西安2、光学仪器设计手册，1971，国防科技出版社，北京3、光学设计软件ZEMAX