双高斯物镜的设计

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅰ Ⅱ
初级象差
k
Lk

S
1 k
Ⅰ
2 2nk uk
0.594893
SC K

S
1
Ⅱ
2j
0.009002
-8-
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k
K Tk
3 SⅡ
1
2 nk u k
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0.582457பைடு நூலகம்
K sk

S
1 k
第一周 计算设计的双高斯物镜的各个参数 第二周 上机进行优化设计，确定最后的设 计结构
内
容 指导教 师签字 基层教学单 位主任签字
说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院 教务科 -1-
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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 -
5
为了使得引入胶合面后 CⅠ 0 ，所以取胶合面初级位置色差系数
1
4 dn dn CⅠ luni CⅠ 0.0221 n n 1
由此可得
dn dn 0.0026 n n 而第一近轴光线在胶合面上的入射高度
l2u 2 h1 d1u 2 1.0610
图 3 初始镜头数据
2、像质评价报告图
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优化前 Ray Fan 如图 4：
图4
优化前 Ray
优化前 Opd Fan 如图 5：
图 5 优化前 Opd
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uk 0.2507
总焦距
f 57.8309
拉赫不变量
J n1h1 tan 5.4075
初级象差系数
S 0.07479 S 0.09736 S 0.06245 S 0.01929 S 0.31357 C 0.004304 C 0.003771
3、加无光焦度双薄透镜校正 SⅠ 取 a b 1.3 （实践表明取值在 1.2 到 1.5 之间为好） 。 （1） 求 u2、SⅠc 。 n 1 u2 2.719 nr1 n 2 3 SⅠc u2 1 du2 n u 2 1 u 2 173.52 2
电气工程学院
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设计题目：双高斯物镜的设计 系 别：工业自动化仪表
年级专业：08 级仪表 学 号：08010
学生姓名： 指导教师：童凯 教师职称：副教授
朱丹丹 讲师
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电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：光学仪器基础课程设计 基层教学单位： 学号 设计题目 设 计 技 术 参 数 设 计 要 求 参 考 资 料 周次 应 完 成 自动化仪表系 学生姓名 指导教师：童凯 朱丹丹 仪表 3 班
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
u z1 1，u1 0，h1 1。
2、以厚透镜校正 SⅣ 考虑到对高级像散的平衡，取 SⅣ 0.07 。 按 相 对 孔 径 需 要 选 d 0.15 。玻璃可取 BaF7 和 ZK8 的组合。由式子
可求得半部系统焦距规化为 1 时各面的曲率半径分别为： r1 0.1745 r2 0.2917 r3 3.3721 r4 0.4143 4、求校正 S Ⅲ 的孔径光阑位置 根据校正 S Ⅲ 的要求，有
S
Ⅲ
S Ⅲa S Ⅲb S Ⅲc 0
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（专业） 班级
双高斯物镜的设计 焦距 f 58 mm，相对孔径为 1:2。 视场为 2 40 。 要求物镜本身校正球差、色差、场曲、像散。
计算双高斯物镜的各个参数； 上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求。
1、刘钧，高明编著， 《光学设计》 ，2006，西安电子科技大学出 版社，西安 2、《光学仪器设计手册》 ，1971，国防科技出版社，北京 3、光学设计软件 ZEMAX
8、象差计算 已知物体在无限远 L ，则视场半角的正切
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tan
y 0.3729 f D 1 ，则有 f 2
式中 y 为底片对角线的一半。入射光瞳半径为 h ，已知相对孔径
h D f 14.5 2 4
按 L , h 14.5, 21 进行光路计算，求得象方孔径角
令 hz1 l z1 A ，则 iz1 c1 A 1 1 iz 2 i2 A nh 1 di2 2 i 1 u2 2 1 n d hz 2 h2 A n 由以上各式可得 A l z 0.0869 从上述计算可知，由于透镜 a、b、c 合成后球差系数 SⅠ 0 ，所得方程 的二次项系数一定为零，也就是说 A 只有一个根。 5、厚透镜中加入消位置色差系数 CⅠ 的胶合面
nS c1 c 2 Ⅳc a n 1 n1 nSⅣc b 2 c1 c 2 d n 1


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可得
a 0.184006，b 31.766026
c1 5.729， c 2 5.549
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焦距为 58 毫米。所以半部系统的焦距 f f2 72.5 0. 8 7、半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成 首先将规化半部系统结构参数 r、d 乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜 a、b 加上必要厚度。半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成 一个完全对称系统。其全部结构参数如下：
表1 双高斯物镜的结构参数
主要技术指标
D 1 f 2 f 58mm 2 40 D 29mm
结构
面号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
r /mm
d /mm
n
玻璃
30.0354 244.4743 21.1517 -27.6785 12.6552 -12.6552 27.6785 -21.1517 -244.4743 -30.0354 4.85 0.3 8.845 2.03 12.599 2.03 8.845 0.3 4.85 1.6140 ZK8 1.6140 1.6140 BaF7 ZK8 1.6140 1.6140 ZK8 BaF7 1.6140 ZK8
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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 SⅣ ，利用薄透镜的弯曲可以校正 球差 SⅠ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散 S Ⅲ ，在厚透镜中引入一 个胶合面可以校正色差 CⅠ。 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 S Ⅲ ，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 S Ⅲ 。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
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衡 S Ⅲ ，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。 以上分析表明：进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛 盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。 解决这对矛盾的方法有三种： 第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大。 第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的 半径加大。 第三， 在两个半部系统之间引入无焦度的校正板， 使它只产生 SⅤ 和 S Ⅲ ， 实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。
n1


（2） 求个面曲率半径 由式子 c 2 b1 b ， a1 a1 a a2 a a2 b2 b1 n 1 及式子 1 r 1 c1 1 r2 b 2 1 r3 a1 1 r 4 a 2
胶合面入射角
4 1 4.9586 dn dn l 2 u 2 n n n 为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式 lr i u r 的胶合面曲率半径 r 0.3818
CⅠ
i
6、半部系统焦距确定 半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式 1 2 d 1 2 知，当 1 2 时， d 0，则 2 2 。实际上系统间 d 不可能等于零，计算表明，当 半部系统的焦距等于 1，取合成以后的焦距大约等于 0.8。现设计要求的合成
Ⅱ
2 nk u k
0.194152
y zk

S
1 k
Ⅳ
2 2 nk u k
0.153421
LFCk

C
1 k
Ⅰ
2 nk u k
0.068463
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C
1
Ⅱ
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0.015040
三、用 ZEMAX 优化
1、建立新镜头，录入初始结构参数。镜头数据为：