光学设计

大连民族学院

工程光学课程设计（论文）平行光管物镜设计

学院（系）：物理与材料工程学院

专业：光电子技术科学

学生姓名：任增鑫

学号：2010053216

指导教师：芦永军

完成日期：2013-11-18

大连民族学院

摘要

平行光管是通过它取得来自无限远的光束，此光束谓之平行光。是装校调整光学仪器的重要工具，也是光学量度仪器中的重要组成部分，配用不同的分划板，连同测微目镜头，或显微镜系统，则可以测定透镜组的焦距，鉴别率，及其他成像质量。将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上，用附配于光管的高斯自准目镜头，通过光管上的高斯目镜观察，可以进行运动工件的直线性检验。在实际成像过程中，物体成的像应该与设计的光学系统一致，达到设计要求的放大倍数。所以，可以通过近轴光学公式计算出理想成像的位置和大小，近似地代表实际光学系统中所要求成的像的位置和大小。近轴光学公式对于工程光学设计有着重要的意义和作用，根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。平行光管物镜物镜采用双胶合结构。双胶合结构能够很好的校正几种初级像差，而且结构简单，所以大多用此结构进行设计。

关键词：平行光管物镜；微小角度；近轴光学公式；双胶合结构

目录

摘要...........................................................................................I 设计要求： (2)

第一章绪论 (2)

第二章Zmeax光学设计软件简介 (3)

第三章平行光管物镜参数的手工计算 (5)

第四章课程设计结果Zmeax验证 (7)

致谢 (9)

设计要求：

设计要求：

采用双胶合（Doublet）结构，D/f=1/6，半像面尺寸：5.25mm

半视场角：1°设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径D：50mm

计算：系统焦距f，后焦距（BFL）

第一章绪论

光学设计过程中的基本知识

一、基本成像概念

1、光学系统的作用：对物体成像

2、共轴光学系统：若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直线上，则该光学系统是共轴光学系统。

3、光轴：光学系统中各个光学元件表面的曲率中心的连线。

4、光线追迹：对于光学镜片而言，设计其的光路轨迹，所应用的一种技术。

二、近轴光线的光路计算

概念：近轴光学、近轴光线

近轴光学：几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。

近轴光线：两个光学元件的中心高度确定一个中心轴，近似平行于中心轴的光。 公式：

l r i u r

-=⨯ 'u u i i =+- ''n i i n = '

''ri l r u

=+ 转面公式：

'u u =

'l l d =-

第二章 Zemax 光学设计软件简介

ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX 可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统，

ZEMAX 光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX 功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX 能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX 的界面简单易用， 只需稍加练习， 就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。

ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

ZEMAX软件可以实现的主要功能：

几何光学设计：各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度环境分析、生产加工分析。

物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相干衍射特性分析、光纤耦合等。

照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以个Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等。

扩展功能：ZEMAX软件可以和C语言、C++、VB等编程语言进行配合使用。

以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域，在各个领域中该软件都可以实现自动的优化求解，使用非常便捷，是目前全球光学工程师应用最广泛的设计软件！

ZEMAX功能强大：

1.玻璃材料离散优化方法：可以指定材料库进行玻璃牌号的优化，此方法配合高

级优化进行，软件可以自动方便的寻找软件指定玻璃牌号的材料。

2.直观的成像质量分析：当您设计好一款镜头的时候，可以将一个BMP格式的图

片放在物方，用这个功能可以快速的看到经过镜头后成像在像面上的成像图片

的质量。成像分析方便直观。

3.丰富的光学棱镜和元件库:在ZEMAX-EE版软件中，有丰富的光学元件及棱镜库，

方便调用、使用灵活、材料尺寸可以随意定义。

4.照明系统快速优化功能：最新版的ZEMAX-EE对于照明系统的优化速度提高了

50倍，是同类软件无法相比的。同时采用传统的评价函数的设定方式，使用方

便。

5.功能强大的全局优化算法。

6.公差分析可以模拟生产加工及装配。

有些光学系统用在很广的温度范围或不在常温下使用时，需要考虑温度和压力的影响。ZEMAX使用非线性温度模型，而不是简单的dn/dt近似。ZEMAX可以指定或优化温度膨胀系统的透镜或组件之间的间距，玻璃目录包括温度和压力数据，以支持温度效应分析计算，可以精确地仿真光学面的温度膨胀特性。