ZEMAX光学设计报告

ZEMAX 光学设计报告

一、设计目的

通过对设计一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的基本应用和操作。

二、设计要求

设计一个全视场角为1.56°，焦距为1000mm ，且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜，要求相高为y`=13.6mm 。

三、设计过程

1.双胶合望远物镜系统初始结构的选定

1.1选型

由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧贴型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。 1.2确定基本像差参量

根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差0'0=L δ；正弦差0'0s =K ；位置色差

0'0=FC l δ。那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得基本像差参量为

0===I ∞

∞C W P 。

1.3求0P

)(()

⎪⎩

⎪⎨

⎧+-+-=∞∞∞∞

火石玻璃在前时

冕牌玻璃在前时

2

2

02.085.01.085.0W P W P P

因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计算,即0085.00-=P 。 1.4选定玻璃组合

鉴于9K 玻璃的性价比较好，所以选择9K 作为其中一块玻璃。查表发现当000.0=I C ,与

0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合，此时对应的038.00=P 。此系统选定9K 与

2ZF 组合。 9

K 的

折

射

率

5163

.11=n ，

2

ZF 的折射率

6725

.12=n ，

038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=ϕ，44.2=A ,72.1=K 。

1.5求形状系数Q

一般情况下，先利用下式求解出两个Q 的值：

A

P P Q Q 00-±=∞

再与利用下式求的Q 值相比较，取其最相近的一个值：

)

(1

20

0+-+

=∞

A P W

Q Q

因为 0P P ≈∞

，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞

W W 。 1.6求归一化条件下的透镜各面的曲率

()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=--+-==-=-+=+===-+-⨯=+-==77370.011

1127467

.2284074.4009404.21

61726.1284074.415163.1009404

.25163.111221233

12211111n Q n n r Q r Q n n r ϕρϕρϕρ 1.7求球面曲率半径

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧-=-='=-=-='==='=491.129277370.01000

624.43927467.21000330.61861726.110003322

11ρρρf r f r f r 1.8整理透镜系统结构数据

视场0136.0tan -=ω（负号表示入射光线从光轴左下方射向右下方），物距-∞=L （表示物体在透镜组左侧无穷远处），入瞳半径mm h 50=，光阑在透镜框上，即入瞳距第一折射

面的距离为0。数据整理表如下所示。

表1 数据整理表

表中的d 之所以为零，是因为我们为了计算方便，在一开始时就假定了该透镜组为没有厚度的薄透镜组。经验证该薄透镜组的像差较小，适宜作为初始结构。 1.9求后透镜组各面的球面曲率半径

考虑到任何实际的透镜组总是有一定的厚度，因此需要把薄透镜组转换成后透镜组。 根据设计要求mm f 1000='，10/1/='f D ，则通光口径mm D 100=。选用压圈方式固定透镜组，该方式所需余量由《光学仪器设计手册》查得为mm 5.3，由此可求得透镜组的外径为mm 5.103。

对于凸透镜而言；假设1x ，2x 分别为球面矢高，r 为折射球面曲率半径，D 为透镜外径，如图所示，则

2

2

2⎪⎭

⎫

⎝⎛-±=D r r x

由上式可求得17.21=x ，67.22=x 。将所求的的结果代入下式中可求得凸透镜最小边缘厚度1t ：

()mm x x D t 9.810

84

.435.103103211=⨯-=+-=

利用下式可求得凸透镜的最小中心厚度1d 。

mm x x t d 02.1003.167.266.11322=+-=+-=。

对于凹透镜而言：先求得03.13=x ，再代入下式中可求得凹透镜最小边缘厚度2t 。

()()

mm x x D t 66.1110

03.167.285.103108122=-⨯-=++=

利用下式可求得凹透镜的最小中心厚度2d 。

薄透镜变换成后透镜时，应保持u 和u '不变的条件下进行。

四、设计结果

1、入瞳直径的设定（图1.1）

图1.1 2、视场角的设定（图2.1）

图2.1

3、工作波长的设定（图3.1）

图3.1

4、评价函数的选择（图4.1、4.2）

图4.1

图4.2

5、系统的透镜参数表（5.1）

图5.1 6、优化工具窗口（图6.1）

图6.1

7、系统的结构轮廓图（7.1）