简单望远物镜设计

电气工程学院课程设计说明书

设计题目：简单望远物镜设计

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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

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

目录

第一章设计要求 (1)

第二章设计方法和ZEMAX软件 (1)

2.1设计方法 (1)

2.2 ZEMAX软件介绍 (2)

第三章设计过程 (3)

3.1 P、W法计算初始结构 (3)

3.2 ZEMAX软件优化曲率半径 (7)

第四章像差分析 (15)

心得体会 (17)

参考文献 (18)

在薄透镜组中，应用最多的是双胶合透镜，因为它是能够满足一定的P、W、C的最简单的结构形式。它是一种把低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的透镜。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内使用。其球差在设计时也进行了优化，和单个透镜相比，双胶合透镜的球差要小的多。使用于无限远共轭状态时，其球差最小。

摘要

光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法; 而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。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。

第一章设计要求：

设计一个焦距为500mm，相对孔径为1:10的望远物镜，要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。入瞳位置在物镜上。

第二章设计方法和ZEMAX软件

2.1设计方法：

任何光学系统或光组的像差参量表达式均可分为两部分：一部分称为内部参数，是指光组各个折射面的曲率半径r、折射面间的间隔d和折射面间介质折射率n；另一部分参数称为外部参数，是指物距l、焦距f'、半视场角w和相对孔径D/f'等。 P,W不仅和内部参数有关，而且也和外部参数有关,成为内部参数与外部参数的桥梁。

光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法；而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。双胶合玻璃透镜的结构参数的计算步骤如下：

（1）由∞P 、∞

W 按式()

()

02

01W W

A P P +++

=∞

∞

求0P

（2）由0P 和I C 查附录1找出需要的玻璃组合，再查附录2,按所选玻璃组合找出1ϕ、0Q 、0P 、0W 。

（3）由式()02

0P Q Q A P +-=∞和式()00W Q Q K W +-=∞

求Q ：

A

P P Q Q 0

0-±

=∞

(

)

1

20

0+-+=∞

A W W Q Q

将以上两式求得的Q 值比较，取其接近的一个值。

（4）根据Q 求折射球面的曲率半径1ρ、2ρ、3ρ。计算公式为：

Q n n r +-==11

11111ϕρ

Q r +==12

21

ϕρ

1

1

11212233--+-==n Q n n r ϕρ

（5）由上面求得的曲率半径是在总焦距为1的归化条件下的曲率。从薄透镜可知，如果实际焦距为'f ，则半径和'f 成正比，即得： 1

'

1ρf r = 2

'

2ρf r =

3

3'

ρf r =

本次课设主要采用解析法（PW 法）计算双胶合透镜的初始结构参数。

2.2 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

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， 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。

ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE （标准版）；ZEMAX-XE （扩展版）；ZEMAX-EE （工程版）。

第三章 设计过程：

3.1 P 、W 法计算初始结构 （1）、选型。这个物镜的视场角很小，所以轴外像差不大。主要校正的像差为球差、正弦差和位置色差。相对孔径也不大，故选用双胶合型，孔径广阑与物镜框重合。 （2）、确定基本像差参量。根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有：

∑-=I k

k S u n L '''021

δ

∑-= S u n K k

k s ''0'21

∑-=∆I k

k FC C u n l '''

01