望远镜、显微镜组装与设计和zemax使用光学课程设计

长沙学院光学工程CAD设计课程设计说明书题目光学课程设计系(部) 电子与电气工程系专业(班级) 光电信息工程（2013级2班）姓名学号指导教师孙利平、周远、谭志光、刘莉起止日期2015.6.22—2013.6.25长沙学院课程设计鉴定表目录一、望远镜的设计与组装 (3)1、项目设计目的 (3)2、望远镜的基本原理 (3)3、设计任务 (4)设计与组装一个开普勒望远镜 (4)设计与组装一个伽利略望远镜 (4)设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜 (4)4、数据记录 (4)（1）测得透镜焦距 (4)（2）开普勒望远镜的组装 (4)（3）开普勒望远镜特性参数测量 (4)5、照片展示 (5)6、可用器材 (5)二、显微镜的设计与组装 (6)1、项目设计目的 (6)2、望远镜的基本原理 (6)3、显微镜的设计及数据记录 (7)①视放大率 (7)②系统总长度不能大于光学平台的长度 (7)③要给出设计值和实测值 (7)④用手机拍一幅从目镜后拍出的微尺放大图 (7)4、设计思路 (8)5、可用器材 (8)三、Zemax的光学设计 (8)1、选定光学设计题目 (8)2、学习zemax的使用 (8)3、使用zemax软件设计光学器件 (10)①设计单透镜 (10)②设计牛顿望远镜 (12)③设计施密特---卡塞格林系统 (14)结束语 (16)参考文献 (16)一、望远镜的设计与组装1、项目设计目的掌握望远镜的原理及特性，并在此基础上通过自组望远镜来提高学生的动手能力以进一步加深对望远系统的理解。

2、望远镜的基本原理存在两类最简单的望远镜，分别为开普勒望远镜的伽利略望远镜。

开普勒望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成，如下图。

远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。

在公共焦平面上可置分划板以测量像的尺寸和位置。

平行光射入平行光射出。

开普勒望远镜可观测到远处倒立的像。

伽利略望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凹透镜作为目镜组合而成，如下图。

物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。

平行光射入平行光射出。

伽利略望远镜可观测到远处正立的像。

两种望远镜的视放大率都可表示为：式中为物镜焦距，为目镜焦距，为入瞳口径，为出瞳口径。

两种望远镜物镜均为正透镜，即，开普勒望远镜目镜为凸透镜，即，故开普勒望远镜的视放大率，即成倒像。

伽利略望远镜目镜为凹透镜，即，故伽利略望远镜的视放大率，即成正像。

3、设计任务设计与组装一个开普勒望远镜，要求：①Γ=2±0.3x ；②公共焦平面上置分划板；③需用一定方法测量物镜和目镜的较精确焦距值；④要求测出其入瞳口径D ，出瞳口径'D ，视放大率 ，出瞳距'p l ； ⑤拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。

设计与组装一个伽利略望远镜，要求：①Γ=2±0.3x ；②需用一定方法测量物镜和目镜的较精确焦距值； ③拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。

设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜。

①Γ=2±0.3x ；②拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。

4、数据记录（1）测得透镜焦距（2）开普勒望远镜的组装（3）开普勒望远镜特性参数测量5、照片展示6、可用器材光学平台、磁力卡座、镜架、未知焦距的正透镜若干、未知焦距的负透镜若干、分划板、双波罗棱镜、标尺、米尺、平行光管、接收屏、读数显微镜、游标卡尺、分划板。

可用透镜参数（单位：mm）：300；225；190；150；70；50；45；29；-150；-100二、显微镜的设计与组装1、项目设计目的掌握显微镜的原理及特性，并在此基础上通过自组显微镜来提高学生的动手能力以进一步加深对显微系统理解。

2、望远镜的基本原理显微镜由物镜和目镜组成，特点是物镜的焦距很短。

显微镜的原理示意如下图。

从图中可见，显微镜由物镜及目镜构成，显微镜的特点是有较大的光学间隔且其物镜的焦距不大，目镜的焦距也比较小。

被观测的物体首先经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大以供人眼观察，其成像过程是一个二次成像过程。

其系统放大率为：βΓ=Γ目物式中β物为物镜垂轴放大率，250=f Γ目目为目镜焦距。

在此成像过程中，有一个实像面位于分划面上，故可以实现测量。

显微镜视放大率的测量原理如下图所示。

使待检显微镜对承物台上的标准玻璃刻尺1调焦，在垂直光轴方向于明视距离处安放另一刻尺2，并用光源同时照明两个刻尺。

此时人眼可同时看清两刻尺的像，并将二者消视差，在视场中读取刻尺1的像与刻尺2齐合的读数M 及N ，则采用下式即可求得显微镜的视觉放大率：21N M ττΓ=其中和分别为刻尺1及刻尺2的格值。

3、显微镜的设计及数据记录选定两个一定焦距的正透镜作为物镜和目镜，设计一个显微镜，要求为： ①视放大率；②系统总长度不能大于光学平台的长度； ③要给出设计值和实测值，如下表物镜焦距'o f 目镜焦距'ef 物镜和目镜间的间距d待观测物到物镜距离l物镜垂轴放大率β 目镜视放大率e Γ 出瞳口径 出瞳距离 设计值 29mm 150mm 353mm 33.83mm 6mm 1.67mm 31.72mm260.84mm实测值 29mm 150mm 357mm 37.21mm④用手机拍一幅从目镜后拍出的微尺放大图。

4、设计思路根据视放大率要求选定物镜和目镜的焦距；可用透镜参数（单位：mm）：300；225；190；150；70；50；45；29；25；-150；-100。

光学平台长度1.3米。

算出待观测物到物镜距离；算出物镜和目镜间的间距；算出物镜的垂轴放大率、目镜视放大率；量出物镜通光口径，算出出瞳口径及出瞳距；5、可用器材可提供的实验器具：光学平台，照片光源，钠灯，微尺（1/10mm），毫米尺，透镜若干，底座若干，透镜架若干，调节架若干，45°半折半反镜片。

三、Zemax的光学设计1、选定光学设计题目课程1：单透镜（a singlet）课程2：牛顿望远镜（a newtonian telescope）课程3：带有非球面矫正器的施密特---卡塞格林系统（Schmidt-Cassegrain）2、学习zemax的使用打开zemax软件，设置入瞳孔径(ctrl+G)和波长(ctrl+W)。

设置镜片厚度（Thickness）、镜片类型（Glass）、曲率半径（Radius）、半口径（Semi-Diameter）。

设置评价函数(Editors----Merit Function Editor---Tools---Default Merit Function...)最佳化调试（Tools--Optimization--Automatic），完成后选择System，然后点击Update All，刷新图形。

3、使用zemax软件设计光学器件①设计单透镜设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃。

首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。

你可以对LDE 窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。

LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。

半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。

这个反白条在本教程中指的就是光标。

你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。

LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。

开始，我们先为我们的系统输入波长。

这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。

现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。

这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。

在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。

这个指示器指出了主要的波长，当前为486微米。

在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。

主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。

权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL 率。

现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在我们需要为镜片定义一个孔径。

这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。

由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm 的焦距除F/4）。

设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。

注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。

除此之外，还要加入一些重要的表面数据。

ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。

一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。

注意在LDE中显示的有三个面。

物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。

对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。

要插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT 键。

这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。

新的面被标为第2面。

注意物体所在面为第0面，然后才是第1（标上STO是因为它是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。

现在我们将要输入所要使用的玻璃。

移动光标到第一面的“玻璃（Glass）”列，即在左边被标作STO的面。

输入“BK7”并敲回车键。

ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用。

所有我们需要做的仅仅是决定使用“BK7”，ZEMAX会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。

由于我们需要的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。