光学设计实例——显微镜物镜、双高斯照相物镜

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双高斯系统

实例5：双高斯物镜(结构要求的推导)像质要求估算：以离开10英寸（254mm）远的距离、观察8英寸×10英寸（即203.2mm×254mm）打印纸、估算最小可分辨的弥散斑为例。

离开10英寸距离，眼睛的最小分辨角为1弧分=0.0003rad，则弥散斑直径=0.003英寸；底片尺寸（36mm×24mm）是打印纸的1/7.06倍, 则底片上成像弥散斑直径为0.003/7.06=0.00042英寸=0.0107mm；对于一个真正的照相系统，通常对MTF有更复杂的技术要求。

双高斯物镜双高斯物镜是一个对称型结构，借以校正垂轴像差——彗差、畸变和垂轴色差，因此其每一半应能校正轴向像差——球差、像散、场曲和轴向色差；保持其对称性很重要。

为校正场曲，必须有两个正负光焦度且分离的薄透镜组，最简单的就是弯月厚透镜；高斯结构的特点是凸面靠外，这有利于其提高相对孔径，但它不能校正球差和轴向色差，为此把弯月厚透镜变成双胶合透镜，但双胶合透镜内的光焦度分配主要考虑的是校正场曲，轴向色差可能得不到很好校正，为此又加了一个分离的正透镜，它也分担了双胶合正透镜的一部分光焦度。

用正负光焦度分配校正场曲；有了正负光焦度的透镜，选择折射率并弯曲透镜，可使球差校正，选择色散可以使轴向色差校正。

光阑的恰当位置可以使像散校正。

双高斯物镜一般用到1:2.8，±20°，为增大孔径或视场或提高成像质量，形成大量的各种复杂化的专利，下面将Fischer提供的USP217252(1938)作为优化的例子，如所附，实例提供的初始结构存在很大像差，为1㎜量级，最后的结果剩余像差在20μm量级，并涉及大致的过程（数年内多次的略有不同的历程）。

下面的做法略有不同1，只用d线（先校单色像差，不校正色差），在solve r11，保持Marginal ray angle = -0.25，以保持焦距不变及d11由Marginal ray height=0的条件下，用Default merit function，可以使用MF由初始的24.9—>1.0。

照相物镜设计报告实例

照相物镜镜头设计与像差分析设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求：1、焦距：f’=12mm；2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；4、后工作距>6mm5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。

7、最大畸变<1%照相物镜的简介照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。

即焦距f ’、相对孔径D/f ’和视场角2w 。

照相物镜的焦距决定所成像的大小Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为y ’=(1-ωβtan ')f (1-1)式中，β为垂轴放大率，ll y y ''==β。

对一般的照相机来说，物距l 都比较大，一般l >1米，f ’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，''f l ≈，所以lf '=β Ⅱ）当物体处于无限远时，β→∞像高为y ’=ωtan 'f （1-2）因此半视场角ω=atan''f y （1-3）表1-1中列出了照相物镜的焦距标准：表1-1相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的截止频Nλλu f D N ==（1-4）照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度E ’=1/4πL τ(D/f ’)2 (1-5)照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。

按视场角的大小，照相物镜又分为a）小视场物镜：视场角在30°以下；b）中视场物镜：视场角在30°~60°之间；c）广角物镜：视场角在60°~90°之间；d）超广角物镜：视场角在90°以上。

光学设计报告

光学设计课程报告班级：学号：姓名：日期：目录双胶合望远物镜的设计 (02)摄远物镜的设计 (12)对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20)艾尔弗目镜的设计 (30)低倍消色差物镜的设计 (38)无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47)双高斯照相物镜的设计 (52)反摄远物镜的设计 (62)课程总结 (70)双胶合望远物镜的设计1、设计指标：设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率：3.7⨯；出瞳直径：4mm ；出瞳距离：大于等于20mm ；全视场角：210w =︒；物镜焦距：'=85f mm物；棱镜折射率：n=(K9)；棱镜展开长：31mm ；棱镜与物镜的距离40mm ；孔径光阑为在物镜前35mm 。

2、初始结构计算 (1) 求J h h z ，，根据光学特性的要求4.728.142===D h ：44.75tan 85tan ''=⨯=•= ωf y0871.0''==f h u648.0'''==y u n J(2)计算平行玻璃板的像差和数CS S S I I I I ，，平行玻璃板入射光束的有关参数为0871.0=u0875.0)5tan(-=-= z u 005.1-=u u z平行玻璃板本身的参数为d=31mm ； n=； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得：000665.01.51631-1.5163×0.0871×-311324432-==--=I du n n S0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u ×=zI I I S S000824.0087.05163.11.6415163.13112222-=⨯⨯-⨯-=--=I u n n dS C υ(3)根据整个系统的要求，求出系统的像差和数S Ⅰ，S Ⅱ，C SⅠ：为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差为：'m δL =0.1mm ，'0.001m SC =-，'0.05FC L mm ∆=(4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜的C W P ，，∞∞由于棱镜物镜系统S S S +=所以双胶合物镜的像差和数为000852.0-棱镜系统-==I I I S S S0019642.0-棱镜系统-==II II I I S SS000444.0-棱镜系统==I I I C CS SS C(5)列出初级像差方程求P ，W ，C(6)由P ，W ，C 求C W P ，，∞∞由于h=，f ’=85，因此有进而可得：174.0)(3==ϕh P P3994.0)(2==ϕh W W由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：174.0==∞P P 3994.0==∞W W将∞∞W P ，带入公式求0P根据，查找玻璃组合。

Zemax光学设计实例汇总

每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响；计算结果是一系列导数，əp/əv1, əp/əv2, əp/əv3,……, p: 优化
函数结果，v: 变量；为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求 2. 选择具有代表性的切入点
RMS RMS
Ray aberration Optical Path
RMS vs Field
Analysis
畸变和像散cellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
Calculations
或
Sei
MTF
Analysis
MTF
或
Mtf
PSF
Analysis
误，使光路与预期完全不符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
或即按Button
各个视场的波像差均方值 Analysis 或
Ray Opd
• 修改Radius，由fix改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；
• 修改最后一面到像面的Thickness由fix改为Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs
内选定，可同时
挑多个表
PSF
或
Psf

双高斯照相物镜课程设计

双高斯照相物镜课程设计1 设计案例式教学方案案例式教学的着眼点在于学生创造能力以及实际解决问题的能力的培养，而不仅仅是照本宣科，有助于深入了解专业领域知识和提高专业技能。

通过案例式教学，令学生接触到实际工程案例，将书本上抽象的知识转化到具体的案例任务，在实际设计与操作中深化知识理解，同时培养学生的创新意识与自主学习意识。

由于这种形式的教学需要较强的信息收集能力与自学能力，因此非常适合研究生。

将案例式教学结合到《现代光学设计及仪器》课程中，通过教学探索，利用案例式教学的优势，突破传统教学脱离实际的困境，令学生通过这种“做中学”的形式获取知识，从而真正掌握技能，实现更高水平的研究生培养。

2 建设案例教学中，以培养目标为指导，基于课程目标与课程内容，根据本专业学生日后深造与就业的实际情况，参照实际设计任务标准，选取课程教学案例，需建立不同难度层次与不同设计类型的案例库。

为了真正对学生的学习结果进行考查与评价，同时，为了打破任课教师个人知识水平的局限性，本课程中，案例库来源主要有三个途径，第一为文献搜集、专利查询等；第二为历年光电赛的赛题中摘取光学设计部分；第三为向全院教师征集的合作企业需求。

案例的筛选原则为：覆盖课程大纲中的主要知识点，同时考虑案例的典型性、实用性、创新性，案例选择应由易到难，循序渐进。

3 打造混合教学模式由于引入了案例式教学，传统的课上教学时间已不能满足教学需要；同时，为了培养学生的积极性，将教学模式从原来的“课堂教学”延展到“课前—课上—课后”的拓展课堂形式这种拓展课堂的形式能够提高学生主动学习的能力。

教学过程中，主要包括“任务导入”“方案制定”“方案实施”“结果反馈”四个环节。

课前，教师将案例布置给学生，完成“任务导入”，明确项目任务及目标，令学生对设计任务形成直观的认识；学生需要在课前进行信息搜集与资料分析，对案例形成深入理解。

课上，完成“方案制定”，学生对任务目标进行分析，确定完成任务所涉及的各种要素，确定实施方案；同时教师完成指导与答疑，把握方案设计方向。

光学设计实例——显微镜物镜、双高斯照相物镜

底片尺寸（36mm×24mm）是打印纸的1/7.06倍, 则底片上成像弥散斑直径为 0.003/7.06=0.00042英寸=0.0107mm；
对于一个真正的照相系统，通常对 MTF Nhomakorabea更复杂的技术要求。
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双高斯物镜设计实例
双高斯物镜
双高斯物镜是一个对称型结构，借以校正垂轴像差——彗差、畸变和垂轴色差，因此其每一半应能校正轴向像差——球差、像散、场曲和轴向色差；保持其对称性很重要。为校正场曲，必须有两个正负光焦度且分离的薄透镜组，最简单的就是弯月厚透镜；高斯结构的特点是凸面靠外，这有利于其提高相对孔径，但它不能校正球差和轴向色差，为此把弯月厚透镜变成双胶合透镜，但双胶合透镜内的光焦度分配主要考虑的是校正场曲，轴向色差可能得不到很好校正，为此又加了一个分离的正透镜，它也分担了双胶合正透镜的一部分光焦度。用正负光焦度分配校正场曲；有了正负光焦度的透镜，选择折射率并弯曲透镜，可使球差校正，选择色散可以使轴向色差校正。光阑的恰当位置可以使像散校正。
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双高斯物镜设计实例(Zemax数据8) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据8) (Zemax数据
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MTF（47） MTF（47）
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双高斯物镜设计实例(Zemax数据) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据) (Zemax数据
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MTF（50） MTF（50）
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双高斯物镜设计实例(原始数据) 双高斯物镜设计实例(原始数据)
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双高斯物镜设计实例(设计结果1) 双高斯物镜设计实例(设计结果1)
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双高斯物镜设计实例(设计结果2) 双高斯物镜设计实例(设计结果2)
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双高斯物镜的设计

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》目录一、介绍.................................................................................. - 3 -二、用初级像差理论确定初始结构 ............................................... - 4 -三、用ZEMAX优化................................................................. - 9 -四、结论............................................................................... - 16 -五、心得体会.......................................................................... - 16 -参考文献................................................................................ - 18 -一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。

设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。

在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲ⅣS ，利用薄透镜的弯曲可以校正球差ⅠS ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散ⅢS ，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差ⅠC 。

双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。

光学设计显微镜物镜设计

第十六章显微镜物镜设计显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。

显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远，供人眼观察。

在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。

为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。

各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为190mm左右，我国规定为195mm。

如图16-1所示。

可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。

还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16-2所示。

筒镜透镜的焦距，我国规定为250mm。

物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：250图16—2无限筒长显微镜系统§1显微镜物镜的光学特性一显微镜物镜的倍率显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。

由于显微镜是实物成实像，因此为负值，但一般用的绝对值代表物镜的倍率。

在共轭距L一定的条件下，与物镜的焦距存在以下关系：物2L(1)对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为:250物式中，为负值。

无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率的绝对值越大，焦距f物越短。

所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。

因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。

焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。

二显微镜物镜的数值孔径数值孔径NAnsinU，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率，根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式：0.61NA公式中，代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说，取平均波长0.0005mm500nm；NA为物镜的数值孔径。

因此要提高显微镜物镜的分辨率，必须增大数值孔径NA。

显微镜物镜的倍率、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距f目与系统出射光瞳直径D/之间满足以下关系：/NANA250Df s=目式中，目为目镜的视放大率。

双高斯物镜的设计

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》目录一、介绍............................................................................................................... - 2 -二、用初级像差理论确定初始结构 ................................................................ - 3 -三、用ZEMAX优化 .......................................................................................... - 10 -四、总结........................................................................................................... - 31 -五、心得体会..................................................................................................... - 31 -参考文献............................................................................................................. - 33 -v1.0 可编辑可修改一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。

光学设计缩放法练习(三片式双高斯)

第17章三片式照相物镜设计17.1 设计任务本实例参照黄一帆和李林编的《光学设计教程》图书中的案例，并进行了部分内容的修改完善。

设计任务为：系统焦距为9 mm，F#为4，全视场2ω为40º。

要求所有视场在67.5 lp/mm 处MTF>0.3。

17.2 设计过程（1）系统建模为简化设计过程，作者从《光学设计手册》（李世贤，等.北京理工大学出版社.1990）中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，见表17-1所示。

根据建模的步骤，首先是系统特性参数输入过程。

点击按钮，在“General”系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库。

Type：）中选择“Image Space F#”，并根据设计要求在“Aperture Value：”输入“4”；在玻璃库（Glass Catalogs）里输入“CHINA”，以。

点击按钮，打开“Fiel d Data”对话框设置5个视场（0ω,0.3ω，0.5ω，0.7ω和ω。

Wavelength Data”对话框设置“Select→F，d，C[Visibl e]接着在透镜数据编辑器（Lens Data Editor）中输入初始结构，如图17-1所示。

在表17-1中，第7面厚度为透镜组最后一面与像面之间的间距，但是表中并没有列出。

为了将要评价的像面设为系统的焦平面，可以利用ZEMAX的求解（Solve）功能。

该功能用于设定光学系统结构的参数，如Curvature、Thickness、Glass、Semi-Diameter、Conic和Parameter等操作数。

求解（Solve）功能使用方法：用鼠标左键双击（或单击鼠标右键）需要设置“Solve”功能的单元格（即第“7”面所在的行和“Thickness”所在的列交叉的单元格），将弹出标题为“Thickness Solve on Surface 7”的对话框，如图17-2所示。

图17-1 三片式照相物镜初始结构参数图17-2 Thickness Solve on Surface 7对话框根据本系统的设计要求，在图17-2中，对话框“Solve Type”中选择“Marginal Ray Height”，并将“Height：”值输入为“0”，表示将像面设置在了边缘光线聚焦的像方焦平面上。

光学系统外形尺寸设计实例

万能工具显微镜光学系统设计万能工具显微镜用以瞄准工件，属于瞄准定位系统，因此系统的总放大功率由瞄准精度来决定。

设瞄准精度（一次瞄准的最大允许误差）分别为0.5m δμ=、0.8m μ、2m μ 用米字型虚线瞄准被测件轮廓时，眼睛的瞄准精度为20''30''α=将上二式的数值代入式（7—8），可得系统的总放大率Γ为3250210/mmαδΓ=⨯=50⨯或30⨯，12.5⨯（一）物镜、目镜放大率的分配及确定物镜所观测的工件沿光轴方向有一定深度，为使工作时，镜筒端部与工件不致相碰，要求物镜有较大的工作距离。

例如30Γ=⨯时，要能测量100mm Φ的工件，物镜的工作距离应大于50mm ，为使总的共轭距不致太长，物镜倍率不宜过大。

目镜倍率可以适当取大一些，但也不能太大，以免镜目距太短，或使分划板的粗糙度要求太细而造成加工困难。

目前国内外通用的目镜的放大率为10⨯，因此，在选择目镜时，应首先考虑10⨯目镜。

此例题若选择10⨯目镜，则物镜的倍率分别为5⨯、3⨯、1.25⨯。

这样，物镜倍率也不太高。

1.25⨯物镜常取1⨯物镜。

（二）物镜的数值孔径的确定物镜的数值孔径可根据式（7—13）确定，即300NA Γ=故三种放大率的物镜对应的数值孔径分别为0.15，0.09，0.03。

（三）物方线视场大小的确定视场的大小根据使用要求而定，并考虑到校正像差的可能性。

对于3⨯物镜，要求能看到6mm Φ的圆柱、圆孔或螺距为6mm 的螺丝，因此取物方线视场为7mm ，其相应的视场光阑直径（即分划板通光直径）为21mm 。

对于三种不同倍率的物镜，一般采用视场光阑直径是统一的，因此，不同倍率的物线方视场大小不同。

三种倍率的物方线视场见表7—18。

表7—18物镜的工作距离取决于同一工件上下两平面间的高度差或被测工件的最大直径。

对于3⨯物镜，在万工显上要求在使用V 形座时，被测工件的最大直径为100mm Φ，此时，相应的工作距离应大于50mm 。

双高斯物镜的设计

前言双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。

设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。

双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。

在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。

二、用初级像差理论确定初始结构1、半部系统的规划半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件。

，，101111==-=h u u z2、以厚透镜校正ⅣS考虑到对高级像散的平衡，取07.0-=ⅣS 。

按相对孔径需要选15.0=d 。

玻璃可取BaF7和ZK8的组合。

由式子()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-==-=--b d nS n a n nS n c c c c c c 12212111ⅣⅣρρρρ可得 549.5729.5766026.31184006.021-=-==-=c c b a ρρ，，3、加无光焦度双薄透镜校正ⅠS取3.1=-==b a ψψψ（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。

（1）求c S u Ⅰ、2。

()()()()[]52.17311719.212222322121=---+=-=-=-u u n du u n S nr n u n cⅠ（2）求个面曲率半径由式子⎪⎩⎪⎨⎧--==11221n b b b c b ψρρρρ，⎩⎨⎧==a a a a a a ψρρψρρ2211及式子⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧====241322111111a a b c r r r r ρρρρ可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：4143.03721.32917.01745.04321-=-=-=-=r r r r 4、求校正ⅢS 的孔径光阑位置根据校正ⅢS 的要求，有∑=++=0c ⅢⅢⅢⅢS S S S b a令A l h z z =-=11，则()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=--=++=+=n d A h h n u i di nh A i i A i z z c z 222222221111111ρ 由以上各式可得 0869.0=-=z l A从上述计算可知，由于透镜c b a 、、合成后球差系数∑=0ⅠS ，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说A 只有一个根。

光学设计实例-单透镜

＊系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否
存在显著错误、光路与预期相符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs 内选定，可同时
挑多个表；也可打入玻璃牌号，程序自动找玻璃库
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
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光学性能分析(Analysis)
当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这主要是Analysis菜单中的各种功能。
或即按Button 各个视场的波像差均方值
Ray Opd Analysis
Ray aberration Optical Path
RMSቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
RMS vs Field
或 RMS
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光学性能分析(Analysis)
畸变和像散、像面弯曲
Analysis
Miscellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
• 公差计算
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优化实例
• 目的
1）如果初始结构选不好，则再简单的系统也难得到好的结果；

双高斯物镜的设计知识讲解

双高斯物镜的设计
双高斯物镜的ZENAX优化设计
《光学课程设计》
一、介绍
双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。
图1双高斯物镜
由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲，利用薄透镜的弯曲可以校正球差，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。这个半部系统回来了承受无限远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产生的球差及高级量越小。但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。为了平衡，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产生的正像散平衡。于此同时，轴外光线在前表面上的入射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。相反，若将光阑离开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，则轴外光线的入射状态就能大大的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平衡，薄透镜应该向前弯曲，以使球面与光阑同心。这样一来，球差及其高级量就要增加。

光学设计报告——显微镜【精选】

光学课程设计报告姓名：***学号：********学院：仪器科学光电信息工程学院班级：光信2班指导老师：***设计任务要求设计题目：显微镜设计要求：目镜: 放大率19倍物镜：放大率6倍共轭距150mm中间像直径大于6mm课程要求熟悉ZEMAX的基本操作完成《ZEMAX练习内容.docx》内容按照给定参数，设计显微目镜、物镜，并组合。

完成课程设计报告物镜一、物镜系统选择按照参数，从《光学仪器设计手册-显微物镜.doc》中选取编号4-03号物镜。

该结构有如下特征：1、放大率为-5，接近目标值-6。

2、采用对称结构，可以有效降低加工难度和成本。

物镜镜头如图：将该物镜的镜头数据输入到新建LDE表格中。

根据条件，系统物面空间NA设为0.26，便于目镜的选择制作。

视场数据选用如图所示：先把各个面曲率半径设为可变，确定默认优化函数PMAG为6倍后开始优化。

物镜镜头共轭距改为150mm，要进行镜头缩放。

1、优化结果分析镜头结构：物镜数据优化表格：该物镜镜头同时替换了玻璃，进行了锤形优化使镜头SPT图显示更好。

SPT图：通过数据可以看出，优化结果还可以。

我们还可以从多个图分析该镜头的优化程度，接下来呈现多个优化结果。

MTF图：系统信息图：通过该系统信息图可知Image Space NA 是0.04483145，这就是所需匹配目镜的物间空间NA，目镜一、目镜系统选择1、目镜要求：放大率 19物空间NA 0.04483145目镜焦距 13.158mm根据目镜目标参数，选择镜头型号规格如图所示：输入到ZEMAX表格中。

2、优化过程注意PARAXIAL的最后要设为23mm，眼睛镜头到像面（视网膜面）的最适距离。

各曲率半径设为变量，玻璃镜头设为替换(进行自动优化和锤形优化）。

默认目标函数改为EFFL（13.158）。

优化过程中镜头要反转，反复的调节back foal length，使它接近目镜的EFFL.二、目镜优化分析优化后的目镜结构：SPT图：MTF图：组合一、组合状态合并后数据如下：光路结构图如下：调节物像高度使中间像高直径大于6mm二、像质评价组合镜头SPT图：对SPT图数据分析：73*近轴放大率（12.7）/{（30.68/2）^2+[(21.468+19.932+19.239)/3]^2}大约等于37。

光学设计实例双胶合透镜非球面单透镜激光扩束镜共16页

实例4 激光扩束镜的设计
目的工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完
成系统检验。方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。
2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。优点：结构简单，易操作。因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前后镜组的距离无关。
3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组
外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。
不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的像质。
4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
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实例4 激光扩束镜的设计
设计要求
• 扩束倍率：60 • 入射口径：0.5-1mm • 出射口径：30-60mm • 工作波长：1053nm • 检验波长：632.8nm • 像质要求：波像差</8(=1053nm)
光学设计实例双胶—光学设计实例
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
• 公差计算
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结构型式
• 由聚焦镜组+准直镜组构成 • 重点校正准直镜组的像差，因为其口径大 • 主要是球差与小视场彗差 • 准直镜组为双分离结构
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果

双高斯镜头的优化设计_

双高斯镜头的优化设计作者：徐延亮雷娟来源：《中国基础教育研究》2013年第07期【摘要】随着毕业生就业竞争激烈化，学生不在满足于仅仅学习课本上的理论知识，迫切的需要参与实践，在这种情况下，将光学设计软件ZEMAX引入工程光学教学是大有益处的。

本文以典型的双高斯物镜优化设计为例，经过初始数据录入、优化及分析像差等光学设计的相关步骤，最后使物镜性能得到了提升，使学生获得处理实际光学设计问题的初步的能力。

【关键词】双高斯物镜工程光学 ZEMAX 光学设计引言。

对于工程光学，如何使学生产生学习兴趣？这是教学所面临的难题。

而将ZEMAX软件引入教学解决了这一难题。

大量科研论文是以ZEMAX为平台进行光学设计的[1-4]，本文以双高斯物镜优化设计为例，这种物镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。

1888年，Alvan Clark 发现使用两对高斯结构，背对背反方向组合后，也可以成为一种有用的镜头，这就是最初的双高斯结构概念。

后来经过Paul Rudolph进一步改进，从而使物镜由原来的4群4片变成4群6片。

二十世纪二十年代，Taylor Hobson在此基础上研发的f/2的高速电影机镜头（Speed Panchro），成为了好莱坞电影厂的标准配备。

到了21世纪的今天，各家光学厂商关于双高斯镜头设计登记在案的专利已超过300件。

本文对双高斯物镜的光学要求为：35mm胶片，使用可见光（F，d，C），焦距f′=100mm，相对孔径D/f′=1/2，场曲小于0.7mm，畸变小于1%，渐晕不小于80%， RMS弥散斑小于30微米。

1.输入初始物镜数据。

设计物镜的第一步是获得物镜的初始数据，通常使用的方法是：（1）查询相关专利进行放缩；（2）使用初级像差理论解出的结果。

本文使用前一种方法，引用美国专利U.S.Patent 2532752（1949）为初始结构，此镜头焦距和相对孔径与本文要求相同，可以给优化带来方便。

在软件LensVIEW找出此专利，并在File下拉菜单中选Create ZEMZX File选项保存。

光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用

大大降低，从而使的塑料非球面在光学设计中的
常用的光学塑料有聚甲基丙烯酸甲酯
（ｏｙｔｙｔａｒｌｔ，称ＰＰｌｍｅｈｌＭｅｈｃｙａｅ简ＭＭＡ）、聚苯乙烯（ｏｙｔｒｎ，Ｐｌｓｅｅ简称Ｐ）ｙＳ、聚碳酸酯（ｏｙａｂｎｔ，Ｐｌｃｒｏａｅ简称Ｐ）环烯烃共聚物（ｙｌｅｎＣｐｌｍｅ，Ｃ和ＣｃｃＯｌｏｏｙｒｉｉｆ简
０引言
在一般的折射光学系统设计中，透镜元件大
都为球面镜。球面镜制作工艺成熟，易于加工，
度，从而更好的校正像差，达到较高的成像质量。
１光学塑料的种类和非球面的特点
塑料是一种广泛应用的以树脂作为基本材质的材料。而具光学塑料为有优良光学性能的塑料，可以在光学系统中代替光学玻璃的使用。光学塑料和光学玻璃相比，具有较轻的质量和较强的抗冲击力、以及可以制作更多面形的可能性。
由于可以制作复杂表面，很多带有整体固定架和
隔圈等外型支架的光学元件可以被制作，可以制作便于安装的光学元件也是其特点之一。
突出难点是制作的困难。近年来，随着塑料加工工艺的发展，注塑成型、压塑成型、金刚石切削等技术日益成熟，使得制作塑料非球面的成本

Zemax光学设计实例汇总

每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响；计算结果是一系列导数，əp/əv1, əp/əv2, əp/əv3,……, p: 优化
函数结果，v: 变量；为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求 2. 选择具有代表性的切入点
（具体的应用实例——视情况而定）
ZEMAX简介
美国ZEMAX Development Corporation研发
ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
或
Spt
Diffraction Standard
Analysis
此程序所选用积分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。
所以这里没有算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大 Sampling 点数，增长时间。
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
光学性能分析(Analysis)
பைடு நூலகம்
当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这基本上是 Analysis 项目下的各种功能。
＊系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错
rd 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100