双胶合望远镜头设计要点

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

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 Diagram (8)

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 (15)

6.3优化后光路图 (16)

第七章心得体会

心得体会 (17)

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) 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 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，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（400—700 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。