光学设计报告 北京理工大学

3、优化后数据为：
4、输出光路图：
5、优化后 MTF 函数图：
六、变焦系统
要求：利用 Zemax 软件中的多重结构构造一个理想的变焦距系统，焦距从 30～ 300，给出变焦数据。 设计过程： 1、打开 ZEMAX，在“Lens Data Editor”中把除了光阑以外的的透镜设置为理 想镜，并设置初始数据； 2、定义多组态透镜，设置参数如下：
5、物镜与目镜的组合
组合光路图：
五、照相物镜的设计
要求：焦距为 50，半视场角为 25˚，相对孔径为 1：3。 设计过程： 1、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为： r d 光学性能 玻璃 18.57 4.62 ' 3.43 ZF11 f 49.92 -33.58 1.08 F1 D f ' 1: 2.8 16.669 2.85 ' 光阑 lF 40.19 0.87 QF14 218.33 2 47 1.08 ZBaF16 16.36 4.51 -25.0 2、将数据输入“Lens Data Editor”中，如图：

D f '物 6 ，得： D' 6.667 ， f '目 33.333mm ' D f '目
' tan ' 6 ，得： 22.76 tan

2、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为： r d 光学性能 玻璃 ' 117.85 f 29.93 2 ZF1 27.51 2 44o 10.5 K9 -31.44 ' 0.5 l F 21.39 31.44 10.5 K9 l z 24 -27.51 3 ZF1 D6 -117.85 3、在 ZEMAX 中新建“Lens Data Editor” ，将所选透镜组的数据输入：
彗差的校正：加光阑，复合透镜，非球面透镜 ④高级像差：剩余球差、子午视场高级球差、弧矢视场高级球差、全视场 0.7071 孔径剩余子午彗差、全孔径 0.7071 视场剩余子午彗差、剩余细光束子午 场曲、剩余细光束弧矢场曲、色球差、剩余垂轴色差。 （2）垂轴像差 子午垂轴像差、弧矢垂轴像差
二、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理， 掌握阻尼最 小二乘法自动设计程序的使用方法， 或掌握 ZEMAX 软件中的自动设计 程序使用方法。
3、建立多组态优化函数，如下：
4、不同焦距的输出光路图：
f ' 30mm
f ' 150mm
f ' 300mm
6 4
2、打开 ZEMAX，在“gen” 、 “fie” 、 “wav”中设置入瞳、玻璃库、视场、波长等 参数； 3、在“Lens Data Editor”中输入初始参数：
4、输出光路图为：
5、MTF 传递函数图为：
四、望远目镜的设计
要求：与（一）中的望远镜物镜进行配合，视放大率为 6 倍，目镜出瞳距离为 20。 设计过程： 1、望远目镜结构参数的求解：
1、光学自动设计 在光学自动设计中， 一般把对系统的全部要求，根据它们和结构参数的关系 不同重新划分成两大类。 第一类是不随系统结构参数改变的常数。在计算和校正 光学系统像差的过程中这些参数永远保持不变，它们是和自变量（结构参数）无 关的常量。 第二类是随结构参数改变的参数。它们包括代表系统成像质量的各种 几何像差或波像差，同时也包括某些近轴光学特性参数。 2、阻尼最小二乘法 阻尼最小二乘法的最显著特点是，它不直接求解像差线性方程组，而把各 种像差残量的平方和构成一个评价函数 。 通过求评价函数的极小值解， 使像差 残量逐步减小，达到校正像差的目的。它对参加校正的像差数 m 没有限制。而且 主要适用于 m 大于自变量数 n 的情形。 在增加了阻尼项以后虽然也可以用于 m n 的情形，但仍然不能求得像差线性方程组的准确解。 3、适应法光学自动设计 适应法像差自动校正程序的最大特点是：第一，参加校正的像差个数 m 必须 小于或等于自变量个数 n；第二，参加校正的像差不能相关。因为适应法求出的 解，严格满足像差线性方程组的每个方程式。如果 m＞n，或者某两种像差相关， 像差线性方程组就无法求解， 校正就要中断。这是适应法和阻尼最小二乘法的最 大区别。
此时，系统的焦距为 29.93mm，33.33/29.93=1.1136，因此设置缩放因子为 1.1136，得到调整后的数据：
优化后数据：
输出光路图：
优化后的 MTF 函数图：
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优化后的点列图：
4、插入场镜 基于前面的设计我们得到的是目镜的倒置结构，因此在加入场镜时，先将编 辑好的目镜组数据倒置，在插入场镜，插入后继续优化场镜参数，目镜参数保持 不变。 优化后的数据为：
三、望远物镜设计
要求：焦距为 200，半视场角为 4˚，相对孔径为 1：5 设计过程： 1、根据要求，通过查《光学设计手册》得到近似初始结构，其参数为：
光学性能 f ' 200.49
D f ' 1 : 5. 6 2 12
o ' lF 196.44
r
d
玻璃 K9 ZF1
136.14 -78.89 -223.9
光学设计报告
学生：王雪梅 学号：2120110645 专业：光学工程 日期：2011 年 12 月 18 日
一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法， 对几何像 差和垂轴像差进行分类和总结。
1、评价光学系统成像质量的方法: （1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量: 分辨率检验、星点检验 （2）设计阶段的评价方法: 几何光学方法:几何像差、波相差、点列图、几何光学传递函数 物理光学方法:点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数 2、对几何像差和垂轴像差进行分类和总结 （1）几何像差 光学系统的色差 轴向色差:不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差,通常用 C 和 F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也称近轴轴向色 差。 垂轴色差：不同颜色光线所成的像高不一样，这种像的大小的差异称为垂 轴色差。 轴上像点的单色像差（球差） ：轴上有限远同一物点发出的不同孔径的光 线通过系统以后不再交于一点， 成像不理想。用不同孔径光线的聚焦点与理想像 点的距离表示。 轴外像点的单色像差: 子午像差——子午彗差、轴外子午球差； 弧矢像差——弧矢彗差、轴外弧矢像差。 情况分析： 对于某些小视场大孔径的光学系统：用彗差与像高的比值来描述系统的成 像质量 对于小孔径成像的光学系统，用色散来描述系统的成像质量 在子午像差和弧矢像差都为零的情况下，对应的像高并不一定和理想像高 一致，实际像高与理想像高之差来衡量成像变形的指标，即畸变。 各种像差的校正及消除： 球差的校正：加光阑，复合透镜，非球面透镜，变折射率透镜 色差的消除：采用不同色散不同折射率玻璃的组合、采用反光镜