二元光学 哈工大 报告
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Figure10
五、结论
本文对给定设计要求，进行了透镜的计算和设计，并使用zemax进行优化，给出了三种能够满足要求的设计结果。从设计的结果和对用二元光学元件复消色差设计与传统光学元件消色差设计的对比中可以发现，二元光学元件对消除二级光谱色差有着良好的效果，并且二元光学元件有着厚度小，重量轻等优良性质，是很多光学设计的优良选择。
Harbin Institute of Technology
二元光学课程设计
课程名称：二元光学
设计题目：复消色差透镜设计
院系：电气学院
设计者：xx
学号：xxS0010xx
******
设计时间：20xx-05-12
哈尔滨工业大学
二元光学课程设计
一、设计任务
1.F/10，f=400mm
2.光谱范围：400-700，其中要求400,550,650nm复消色差
3.与传统透镜设计的性能对比分析
4.设计结论
5.报告统一格式与封面
二、设计过程
法一：
为了设计方便借鉴两片透镜消色差的方法，采用双胶合透镜，并且加一个二元光学面做二级光谱色差消除，为加工方便二元光学面设计在最后一个平面上，如图1
Figure1
记透镜面及二元光学面为1、2、3，记400,550,650nm光线分别为A、B、C光（450nm的光线为得到更好的优化效果加的，不带入计算）
从能量集中度图中可以看出，能量集中度在10um内达到了0.864,25um下达到了0.955，50um下达到了0.986能量集中度还是比较高的。
二元光学面的最小线宽，根据公式：
其中最短波长为λ=400nm，数值孔径F=10，可以算出：
满足最小线宽大于5um的要求。
该二元光学面只能是一阶的。
四、与传统透镜比较
最大色焦移范围为97.87um，色焦移比较小
从光线差图（Ray Fun）可以看出来最大的光线差不超过±15um，效果还是比较好的。从波像差图（OPD fun）也可以看到，系统的光程差也控制的比较好，基本上控制在±0.5个waves以下。
从点列图可以看出，光斑已经控制在30um的范围内，并且光斑分布较均匀，但是在波长较短的情况下会有一定的彗差。
根据题目要求，总得光焦度为：
系统的光焦度为：
单个透镜
即：
(1)
对A、C光进行消色差公式为：
其中各个阿贝数为
，
代入上式化得
(2)
对A、B、C消二阶光谱色差为：
各个部分的部分色散为：
，
代入上式得：
(3)
从Zemax的Report中的Surface Data中可以查出不同玻璃对各个波长的折射率：
联立(1)、(2)、(3)可得
Figure8wenku.baidu.com
Figure9
可以很明显的看到，除了色焦移曲线有有一定的下降外（但仍能满足要求），其他各个方面的性能都有显著提高。色焦移范围为67.4um，光斑大小在10um一下，光程差和光线差也都比较小
三、像差分析：
如图6：
该设计的MTF曲线在50lp时大于0.55,90lp时大于0.3能够满足要求。
为了得到更好的色差校正，一般意义上可以选用阿贝数相差较大的玻璃，例如把BK7换成FK51，直接带进去优化效果如图7：
Figure7
可以很明显的看到，除了色差有明显的优化外，其他的性能都有一定程度上的下降，但是仍能满足要求。
法三：
采用三胶合镜组，最后一个面为二元光学面，利用zemax进行优化，镜组参数见图8，最后优化结果见图9。
用传统统计消色差：
同样采用双胶合透镜但是不加二元光学面
总光焦度:
为了使这两个透镜消色差需要满足
V为透镜的阿贝数
透镜材料分别选择BK7和F2，查得
BK7：Nd=1.5168，Vd=64.1673
F2：Nd=1.612929，Vd=36.9645
可以解得
代入zemax并进行优化，得到结果如图8，可以看出来，各方面的性质都没有加上二元光学面的好。
又因为
其中R3=∞，所以
将设计好的数据代入zemax，设透镜厚度都为30，设置好视场，F数，波长之后得到如图2结果
Figure2
可以看到，各个性能都不能满足要求，将两个面的曲率半径和透镜厚度都设为可变参数，设优化操作数EFFL=400，其他默认，进行优化可得图3结果
Figure3
很容易看到，系统的各个性能都有显著提高，为了进一步降低系统的色差，修改优化参数，限定轴向色差，优化操作数为AXCL，将各个波长之间的轴向色差都限定在一个范围内进行优化，优化结果如图4，可以看到系统的色差，光线差，波像差性能都有显著提高，但是点列图范围稍稍变大。
3.CCD靶面尺寸为1/2英寸（6.4*4.8）
4.MTF>0.4@50lp/mm,MTF>0.2@90lp/mm
5.至少使用一个二元光学元件表面
6.衍射面最小线宽不小于5um
报告要求：
1.具有详细设计参数计算过程
2.像差分析报告中需要针对（1）色焦移曲线（2）像差图（3）传递函数图（4）能量集中度（5）点列图进行分析讨论，阐述使用二元光学元件的技术特点
Figure4
以上方法是直接计算出各个透镜的曲率半径，由于zemax的强大功能，也可以直接让其进行优化，例如：
法二：
直接将第一个面和第二个面曲率都设成1000，厚度都设成0，设厚度最大值为30，优化函数如图5：
Figure5
点击进行优化，效果如图6：
Figure6
可以看到其效果跟计算出曲率半径的效果相差不多。
五、结论
本文对给定设计要求，进行了透镜的计算和设计，并使用zemax进行优化，给出了三种能够满足要求的设计结果。从设计的结果和对用二元光学元件复消色差设计与传统光学元件消色差设计的对比中可以发现，二元光学元件对消除二级光谱色差有着良好的效果，并且二元光学元件有着厚度小，重量轻等优良性质，是很多光学设计的优良选择。
Harbin Institute of Technology
二元光学课程设计
课程名称：二元光学
设计题目：复消色差透镜设计
院系：电气学院
设计者：xx
学号：xxS0010xx
******
设计时间：20xx-05-12
哈尔滨工业大学
二元光学课程设计
一、设计任务
1.F/10，f=400mm
2.光谱范围：400-700，其中要求400,550,650nm复消色差
3.与传统透镜设计的性能对比分析
4.设计结论
5.报告统一格式与封面
二、设计过程
法一：
为了设计方便借鉴两片透镜消色差的方法，采用双胶合透镜，并且加一个二元光学面做二级光谱色差消除，为加工方便二元光学面设计在最后一个平面上，如图1
Figure1
记透镜面及二元光学面为1、2、3，记400,550,650nm光线分别为A、B、C光（450nm的光线为得到更好的优化效果加的，不带入计算）
从能量集中度图中可以看出，能量集中度在10um内达到了0.864,25um下达到了0.955，50um下达到了0.986能量集中度还是比较高的。
二元光学面的最小线宽，根据公式：
其中最短波长为λ=400nm，数值孔径F=10，可以算出：
满足最小线宽大于5um的要求。
该二元光学面只能是一阶的。
四、与传统透镜比较
最大色焦移范围为97.87um，色焦移比较小
从光线差图（Ray Fun）可以看出来最大的光线差不超过±15um，效果还是比较好的。从波像差图（OPD fun）也可以看到，系统的光程差也控制的比较好，基本上控制在±0.5个waves以下。
从点列图可以看出，光斑已经控制在30um的范围内，并且光斑分布较均匀，但是在波长较短的情况下会有一定的彗差。
根据题目要求，总得光焦度为：
系统的光焦度为：
单个透镜
即：
(1)
对A、C光进行消色差公式为：
其中各个阿贝数为
，
代入上式化得
(2)
对A、B、C消二阶光谱色差为：
各个部分的部分色散为：
，
代入上式得：
(3)
从Zemax的Report中的Surface Data中可以查出不同玻璃对各个波长的折射率：
联立(1)、(2)、(3)可得
Figure8wenku.baidu.com
Figure9
可以很明显的看到，除了色焦移曲线有有一定的下降外（但仍能满足要求），其他各个方面的性能都有显著提高。色焦移范围为67.4um，光斑大小在10um一下，光程差和光线差也都比较小
三、像差分析：
如图6：
该设计的MTF曲线在50lp时大于0.55,90lp时大于0.3能够满足要求。
为了得到更好的色差校正，一般意义上可以选用阿贝数相差较大的玻璃，例如把BK7换成FK51，直接带进去优化效果如图7：
Figure7
可以很明显的看到，除了色差有明显的优化外，其他的性能都有一定程度上的下降，但是仍能满足要求。
法三：
采用三胶合镜组，最后一个面为二元光学面，利用zemax进行优化，镜组参数见图8，最后优化结果见图9。
用传统统计消色差：
同样采用双胶合透镜但是不加二元光学面
总光焦度:
为了使这两个透镜消色差需要满足
V为透镜的阿贝数
透镜材料分别选择BK7和F2，查得
BK7：Nd=1.5168，Vd=64.1673
F2：Nd=1.612929，Vd=36.9645
可以解得
代入zemax并进行优化，得到结果如图8，可以看出来，各方面的性质都没有加上二元光学面的好。
又因为
其中R3=∞，所以
将设计好的数据代入zemax，设透镜厚度都为30，设置好视场，F数，波长之后得到如图2结果
Figure2
可以看到，各个性能都不能满足要求，将两个面的曲率半径和透镜厚度都设为可变参数，设优化操作数EFFL=400，其他默认，进行优化可得图3结果
Figure3
很容易看到，系统的各个性能都有显著提高，为了进一步降低系统的色差，修改优化参数，限定轴向色差，优化操作数为AXCL，将各个波长之间的轴向色差都限定在一个范围内进行优化，优化结果如图4，可以看到系统的色差，光线差，波像差性能都有显著提高，但是点列图范围稍稍变大。
3.CCD靶面尺寸为1/2英寸（6.4*4.8）
4.MTF>0.4@50lp/mm,MTF>0.2@90lp/mm
5.至少使用一个二元光学元件表面
6.衍射面最小线宽不小于5um
报告要求：
1.具有详细设计参数计算过程
2.像差分析报告中需要针对（1）色焦移曲线（2）像差图（3）传递函数图（4）能量集中度（5）点列图进行分析讨论，阐述使用二元光学元件的技术特点
Figure4
以上方法是直接计算出各个透镜的曲率半径，由于zemax的强大功能，也可以直接让其进行优化，例如：
法二：
直接将第一个面和第二个面曲率都设成1000，厚度都设成0，设厚度最大值为30，优化函数如图5：
Figure5
点击进行优化，效果如图6：
Figure6
可以看到其效果跟计算出曲率半径的效果相差不多。