单透镜——应用光学课程设计报告

广东海洋大学

《工程光学》课程设计

题目：单透镜设计

姓名：李力飞

学号：201211911114

学院：理学院

班级：电科1121

指导老师：陈劲民

广东海洋大学

一.设计目的

查阅光学设计软件ZEMAX资料，初步了解ZEMAX在光学系统设计中实现建模、分析的功能；对上学期《应用光学》课程作一扼要系统的复习。根据设计要求，运用ZEMAX进行辅助设计按要求给出设计结果及撰写设计报告和个人心得总结。

二.设计要求

入瞳直径:30mm

曲率半径:75,-85mm

厚度5mm

材质为BK7玻璃

光源为可见光(F,d,C)

视场角为0°、7°、10°

三.设计思路

直接将要求作为初始结构参数，输入

ZEMAX，并得出初始结果

选取透镜两面半径，焦距作为变量进

行优化

对第一次优化结果进行像质评价，针对

不同像差用对应的评价函数优化，直到

像差符合要求

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四.设计过程

1）入瞳设置

入瞳直径为30mm

2）视场设置

视场角为0度，7度，10度

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3）波长设置

波长为F光（0.486），D光（0.587），C光（0.656）单位：um

4）透镜参数设置

OBJ 和IMA分别为物面，像面。物面厚度（Thickness）为无穷远，即物距为无穷远。

1.在光阑面（STO）后插入一个新的面2，作为透镜的第二个面。

2.透镜第一面，第二面半径分别为75mm和-85mm。

3.由公式f’=nR1R2/(n-1)[n(R2-R1)+(n-1)d],得出透镜焦距f’=78mm，并将f’作为第二面厚度；透镜厚度d=5mm作为第一面厚度。（BK7玻璃折射率：1.5168）

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5)评估系统性能

1. 3D草图

图中可明显看到轴外和轴上的光线都没有聚焦在高斯像面上，这主要是因为系统存在严重的球差，场曲。

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2.光线像差曲线（RAY FAN）

从曲线中可看出主要存在球差，场曲，子午慧差

球差：0视场图曲线离轴较严重，特别是全孔径处

场曲：7，10视场图原点处曲线斜率不为0

子午慧差,7，10视场子午曲线弯曲较严重，或者曲线两端连线与纵轴交点和原点不重合

像散：10视场图子午，弧矢曲线不重合，即子午焦面与弧矢焦面不重合

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3.点列图（Spot Diagrams）

主要存在球差，慧差，像散

球差：0视场RMS（弥散斑半径的方均根）GEO（弥散斑半径）都很大

慧差：7，10视场图形形状可看出存在慧差

像散：10视场图形呈椭圆状，说明子午像面和弧矢像面不重合

子午场曲：10视场图呈椭圆状

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6）优化系统

一.设置变量

将STO面和2面半径，2面厚度设为变量。

二.建立优化函数

1.增加MFE（评价函数）中对焦距的限制

新增操作EFFL，目标78，权重1，参考波长为主波长2。EFFL目的是使评价函数运算出系统有效焦距f’，并限制焦距尽可能地接近初始结构参数的值78。如果不添加EFFL，则函数可能将焦距变动为无穷大。

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2.建立绩效函数

全部设置采用函数的缺省值即可。

三.执行优化

点击自动优化后，系统的MF值从初始的48.6降为13.8，表明系统像差得到很大改善。

初次优化后结构参数

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四.初次评价像质

1）光线像差曲线（RAY FAN）

从0视场图看出，离轴现象得到大幅改善，即轴上球差大大减小，但大孔径处仍存在残余球差；同时三色光曲线在竖直方向上出现分离，即优化后产生了较大轴上色差。

从10视场图看出，三色光曲线同样在垂轴方向分离，即产生垂轴色差；子午面曲线的弯曲程度较优化前减轻，即子午慧差减小；弧矢面曲线在原点处斜率减小，表明场曲下降；子午，弧矢曲线不重合程度加大，即像散增大。

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2）点阵图（Spot Diagrams）

0视场图看出，RMS，GED 分别从优化前的845,1470变为181,290 ，即弥散斑的半径和均方值都大幅减小，球差得到改善，但同时产生轴上色差。

10视场图看出，虽然RMS,GED都减小，但如图所示，三色光斑点层次分明，产生严重的轴上色差；同时仍有慧差，场曲，像散。

五.第二次优化

1.增加MEF操作数

在原有操作数基础上增加COMA操作，参考波长为2，目标为0，权重为1，目的是减小系统慧差。

第二次优化后结构参数

第二次优化后第二面的曲率半径由-188增大至-433

2.再次评价像质

1）光线差曲线（RAY FAN）

通过和第一次优化后的RAY FAN 比较，并没发现有显著的变化，接下来分析点阵图。

2）点阵图（spot diagrams）

从10视场图看出，不仅慧差得到消除，弥散斑RMS GED也减小。但色差仍然很大。从7，10视场图看出仍存在像散，场曲。

7）最终像质评价1）结构参数

2）3D草图（3D Layout）

3）渲染模型（Shaded Model）

4)ZEMAX格式绘图