光学设计论文

第一章前言

随着光学设计的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域。光学仪器的核心部分是光学系统。光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。然而，一个高质量的成像光学系统要靠良好的光学设计去完成。

光学设计的理论和方法也在发生着日新月异的变化。光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

所谓光学系统设计即设计出系统的性能参数、外形尺寸、和各光组的结构等，大体上分为两个阶段，第一阶段为“初步设计”或者“外形尺寸设计”，即根据仪器总体的设计要求，从仪器总体出发，拟定出光学系统的原理图，

并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性。第二阶段称为“像差设计”，一般称为“光学设计”，即根据初步设计的结果，确定每个透镜的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成型质量成像质量的要求。

一个光学仪器工作性能的优劣，初步设计是关键，当然在初步设计合理的条件下，如果像差设计不当，同样也可能造成不良后果。一个好的设计应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。

光学设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经经历了一个漫长的过程。光学系统设计的具体过程：制定合理的技术参数，光学系统总体设计和布局，光组的设计（包括选型，初始结构的计算，像差校正、平衡与像质评价），长光路的拼接与统算，绘制光学系统图、部件图和零件图，编写设计说明书，进行技术答辩。

光学设计的设计步骤为选择系统的类型，分配元件的光焦度，校正初始像差，减小残余像差（高级像差）。重复以上步骤，最终会找到一个满意结果。

本次设计主要采用ZEMAX光学设计软件已经专门的绘图软件、撰写公式的软件。ZEMAX是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序。大部分ZEMAX的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。

第二章双胶合与双分离组合的摄远物镜

高倍率望远物镜焦距很长，其外形尺寸和重量均很大，为减小重量和缩短望远镜筒长度，可用摄远物镜。摄远物镜属于望远物镜中的一种，望远物镜的相对孔径和视场都不大，要求校正的像差也比较少，所以它们的结构也一般比较简单，多数采用薄透镜组和薄透镜系统。它们的设计方法大多建立在薄透镜系统初级像差理论的基础上因此其设计理论比较完善。望远物镜一般分为折射式，反射式和折反射式三种形式。其中折射式物镜包括双胶合物镜，双分离物镜双单呵单双物镜，三分离物镜，摄远物镜，对称式物镜和内调焦物镜。

图1双胶合与双分离组合的摄远物镜

1.、摄远物镜的优点：

●系统的长度L小于物镜的焦距f '，一般可达焦距的2/3至3/4。

●由于系统还有两个薄透镜组，因此有可能校正四种单色像差，除

了球差，慧差而外，还可能校正场曲和像散。因此，它的视场角比较大，同时可以充分利用它的校正像差的能力来补偿目镜的像差，使目镜的结构简化或提高整个系统的成像质量。

2、摄远物镜的缺点：

系统的相对孔径比较小，因为前组的相对孔径一般要比整个系统的相对孔径大一倍以上，如果前组采用双胶合，相对孔径大约为1/4，则整个系统的相对孔径一般在1/8左右。要增大整个系统的相对孔径，就必须使前组复杂化，以提高它的相对孔径，比如利用双胶合和双分离组合的摄远物镜。

3. 双胶合物镜的简介：

双胶合物镜：双胶合物镜有着最简单的结的构，制造和装配方便，光能损失小。若玻璃选择合适，可以同时校正球差、正弦差和色差。由于双胶合面曲率较大，产生大的高级球差，因而受到孔径限制望远镜物镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差和慧差。由薄透镜系统的初级像差理论知道，一个薄透镜组除了校正色差而外，还能校正单色像差，正好符合望远物镜校正像差的需要。如果恰当地选择玻璃，则双胶合物镜可以达到校正三种像差的目的，所以双胶合物镜是最常用的望远物镜。

由于双胶合物镜无法校正像散和场曲，因此它的可用视场受到限制，一般不超过10°，如果物镜后边有较长光路的棱镜，则由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，因而可以抵消部分物镜的像散，视场可达到15°到20°。双胶合物镜可能满意成像质量的相对孔径如下所示：

双胶合物镜的焦距与相对孔径对应关系表

过大时，会使透镜的质量过大而胶合不牢固，同时当温度改变时，胶合面上容易产生应力，使成像质量变坏，严重时可导致脱胶。所以，对于直径过大的双胶合镜组，往往不进行胶合，而是中间用很薄得空气层隔开，空气层两边的曲率半径仍然相等。这种物镜从像差性质来说实际上和双胶合物镜完全相同。

3、双分离物镜的简介：

与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度

利用正负透镜间的间隙的变化也可以作

为校正像差的变数，使高级像差减小。

因此双分离物镜比双胶合物镜所适合的

相对孔径要大。

双胶合物镜由于孔径高级球差的限制，它的相对孔径球差只能达到1/4左右。如果我们使双胶合物镜正反透镜之间有一定的间隙，则有可能减小孔径高级球差，使相对孔径可以增加到1/3左右。双分离物镜有对玻璃组合的要求不像双胶合物镜那样严格，一般采用折射率差和色球差都比较大的玻璃，这样有利于增大半径，减小孔径高级球差。但是，这种物镜的色球差并不比双胶合的物镜小；另外，空气间隙的大小和两个透镜的同心度对成像质量的影响很大，所以装配调整比较困难。

双胶合的色差小，而球差和慧差较大；双分离的球差和慧差小，色差大。因此可以利用双胶合和双分离的组合物镜制作望远物镜。

第三章缩放法简介

随着电子计算机的发展和光学设计技术的提高，人们已经设计出了很多性能优良的各种光学系统，并把这些资料载入技术档案和专利文献中。有些光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能从这些专利文献中选择出一些光学特性与所设计的物镜尽可能接近的结构作为初始结构，不但会给设计者节省设计时间，而且也容易获得成功。尤其是在设计复杂的物镜时，一般从专利文献中选择初始结构。

所谓缩放，即根据对光学系统的要求，找出性能参数比较近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比K，并估计其像差的大小或变化趋势。

一般的缩放法分为如下几步：

物镜选型，缩放焦距，更换玻璃，估计高级像差，检查边界条件。