光学设计实验报告.docx
- 文档编号:524976
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOCX
- 页数:45
- 大小:711.97KB
光学设计实验报告.docx
《光学设计实验报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光学设计实验报告.docx(45页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
光学设计实验报告
班级:
04111302
姓名:
叶云
学号:
1120130901
光学设计实验报告
叶云
1120130901
目录
§1双胶合望远物镜设计 3
一、计算初级像差 4
二、用ZEMAX设计并优化双胶合物镜 7
三、总结分析 13
§2对称式目镜设计 14
一、计算初始结构参数 14
二、用ZEMAX设计并优化对称式目镜 14
三、总结分析 18
§3双胶合望远镜系统配合 19
一、物镜和目镜的配合 19
二、用ZEMAX优化双胶合望远镜系统 21
三、总结分析 22
§4低倍消色差显微物镜设计 24
一、求物镜的焦距、物距和像距 24
二、原始系统结构参数的初级像差求解 25
三、原始系统参数输入及像质评价 28
四、利用ZEMAX做初级像差优化设计 30
五、总结分析 33
§5双高斯照相物镜设计 34
一、原始系统参数输入及像质评价 35
二、利用ZEMAX做初级像差优化设计 37
三、第一次优化效果 38
四、第n次优化效果 40
五、总结分析 44
§6心得感悟 45
45
§1双胶合望远物镜设计
要求设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜(加棱镜),如下图所示,技术要求如下:
视放大率:
3.7
出瞳口径:
D=4mm
出瞳距离:
大于等于20mm
全视场角:
2w=10°
物镜焦距:
f'=85mm
棱镜折射率:
n=1.5163(K9)棱镜展开长度:
31mm
棱镜距离物镜的距离40mm
孔径光阑位在物镜前35mm
要求:
(1)计算棱镜的初级像差
(2)双胶合物镜的初级像差求解
(3)利用Zemax自动设计程序进行优化设计
一、计算初级像差
1.求h,hz,J
根据棱镜入射的相关参数
G=tanw'=D
D 14.8
tanw D'
得入瞳直径D=4mm
h= =
2
=7.
2
u'=D2=14.8=0.087
f' 170
y'=-f'tanw=-85´tan(-5°)=7.44
J=n'u'y'=1´0.087´7.44=0.647
z
h=35´tan(5°)=3.0621
2.计算平行玻璃板的像差和数:
SI,SP,SIC
u=u'=0.087
;u=tan(-5°)=-0.0875;æuzö=-0.99
z çu÷
è ø
根据已知条件,平行玻璃板本身的参数为
d=31mm,n=1.5163,n=64.1
将以上数值代入到平行玻璃板的初级像差公式中得
球差:
SI=-
n2-1
n3
du4=-31´(0.087)4
´1.51632-1
1.51633
=-0.00069
慧差:
SⅡ=S
æuzö=-0.00069´(-0.99)=0.00068
Içu÷
è ø
轴向色差:
SⅠC
=-dn-1u2=-31´
vn2
1.5163-1
64.1´1.51632
´(0.087)2=-0.00082
3.列出初级像差方程式求解双胶合物镜的P¥,W¥,C
根据对整个物镜系统的像差要求,求出系统的像差和数SI,SP,SIC
由于本题中未给出整个物镜系统的像差要求,所以为了保证补偿目镜的像差,不妨设该物镜系统(包含双胶合物镜和棱镜)的像差为
δL'=0.1mm,SC'=-0.001,DL'
=0.05mm,
m m FC
则
SⅠ=-2n'u'2dL'=-2´(0.087)2´0.1=-0.00151
s
SⅡ=-2n'u'K'
=-2n'u'(SC'gy')=0.00129
FC
SⅠC=-n'u'2DL'
=-(0.087)2´0.05=-0.00038
以上为物镜系统像差的和数,它等于物镜的像差加棱镜的像差,这样即可求得双胶合物镜的像差为:
SⅠ=SI系统-SI棱镜=-0.00151-(-0.00069)=-0.00082
SⅡ=SI系统-SI棱镜=0.00129-0.00068=0.00061
SⅠC=SI系统-SI棱镜=-0.00038-(-0.00082)=0.00044
(1)列出初级像差方程求P, W, C
对单个薄透镜组有
SⅠ=hp=7.4´p=-0.00082,p=-0.00011
SⅡ=hzP-JW=-0.647W-0.00034=0.00061,W=-0.000422
SⅠC=h2C=(7.4)2C=0.00044,C=0.000008
(2)由P, W, C求P¥,W¥,C
P= p
(hj)3
W= W
(hj)2
=-0.00011=-0.167
0.0873
=-0.000422=-0.056
0.0872
C=Cgf'=0.000008´85=0.00068
由于望远镜本身对无限远物平面成像,因此无需再对物平面位置进行归化:
P¥=P=-0.167;W¥=W=-0.056;C=0.00068
根据P0
,C选玻璃。
将上面求得的P¥,W¥代入公式求P0
P=P-0.85(W
-0.15)2=-0.167-0.85´(-0.056-0.15)2=-0.203
0 ¥ ¥
根据:
C=0.00068;P0=-0.203
从附表2得到
K9:
nD=1.5163
ZF1:
nD=1.6475
n=64.1
n=33.9
C=0.00068;P0=-0.203;Q0=-4.58
4.求透镜组半径
j=æC-1ö æ1-1ö
1 ç v÷ çv v÷
è 2ø è1 2ø
=æ0.00068-
1ö æ1- 1ö
ç 33.9÷ ç64.1 33.9÷
è ø è ø
=2.074
j2=1-j1=-1.074
则Q=Q0
-W¥-0.15=-4.58--0.056-0.15=-4.4571.67 1.67
由上面的结果求半径:
1
r
=j1
2
+Q=2.074-4.457=-2.383
1=j1+1
r1 n1-1 r2
= 2.0741.5163-1
-2.383=1.634
1=1-j2
=-2.383-
-1.074
=-0.724
r3 r2 n2-1 1.6475-1
由此得到:
r1=0.6120,r2=-0.4196,r3=-1.3812,以上半径对应于焦距为1,将它们乘以焦距f'=85mm,最后求得半径为:
r1=52.02mm,r2=-35.666mm,r3=-117.402mm
5.确定透镜厚度
透镜厚度除了和球面半径透镜直径有关外,同时考虑到透镜的固定方法,质量要求和加工难易等因素,可参考“光学设计手册”中有关光学零件中心和边缘
厚度的规定,用实际口径作图确定,我们取d2=6,d3=4
。
这样双胶合物镜的
全部结果参数为
r d 玻璃材料
r1=52.02
r2=-35.666
r3=-117.402
6 K9
4 ZF1
z
D=14.8,2w=10°,L=¥,l=-35
二、用ZEMAX设计并优化双胶合物镜
1.原始系统参数输入及像质评价
在GeneralLensData中,输入入瞳直径为14.8,采用中国玻璃库。
视场选择
0、1.5、3.5、5四个视场,波长选择“Select F,d,C”。
由前面计算可知,原始系统的参数输入及光学特性参数如下:
从上面的一系列参数中可以知道,原始系统的焦距EFFL为86.2,与题目要求的85非常接近,从点列图以及MTF可以知道,该原始系统的初始像差也不大,初始系统结构图也非常正常。
这说明利用初级像差方程式来求解双胶合望远物镜是非常有效的,所求解的结构参数与理想的状态相差不大,利用这个初始结构来进行优化会很容易地达到最优状态。
2.利用ZEMAX对系统进行优化设计
(1)确定自变量
首先需要确定自变量,一般来说,半径厚度或间隔,以及玻璃材料都可以选为自变量,但对每一个系统需要具体情况具体分析。
对于双胶合透镜,厚度对校正像差基本上不起什么作用,因此不选择厚度作自变量,玻璃材料一般是在利用初级像差方程式求解结构参数时已经确定了,因此也不能选作自变量,这样只有半径可以作为自变量去,其中,棱镜展开以后形成的玻璃平板的两个表面半径当然也不能作为自变量,所以实际上只有前三个半径可以作为自变量。
(2)建立评价函数
要建立评价函数,单击Editors中的MeritFunctionEditor菜单,弹出评价函数MeritFunctionEditor界面,然后单击DefaultMeritFunction,此时显示的是评价函数波像差均方根,单击确定,然后插入一行,在Type列中,输入EFFL,在
Target项中输入85,在Weight项中输入1,如果还有其他的各种要求,均可以插入相应的行,输入需要控制的参数即可。
(3)执行优化设计功能
现在可以开始进行优化设计。
单击Tools中的Optimization,选中AutoUpdate,然后单击循环次数,开始时次数可以选择一次循环,观察优化一次后的系统结构图是否出现异常,以及观察点列图和MTF的像差是否减小,如果一切都没有出现问题,那么可以选择自动优化,直至优化达到最优结构。
最后系统的光学特性及像差如下图所示。
空间频率40lp/mm
空间频率20lp/mm
塞德尔像差系数
三、总结分析
从上面的结果我们可以知道,优化之后的点列图明显优于初始系统,这对我们人眼观察的目视光学系统来说是极好的,意味着系统成像质量更好。
另外优化
后系统的dL'=0.001829,K'=-0.003249,DL'
=0.000999,由于之前在计算该
m S FC
系统的初始结构时,人为的假设了物镜系统的像差,所以为了得到更优的双胶合望远镜系统,可以把这些像差加入到目镜中进行优化,使组合后的系统像差尽可能小。
通过一个双胶合物镜的初始像差求解结构以及用ZEMAX优化设计的过程,我们可以发现初级像差理论在双胶合透镜整个设计过程中仍有其重要的指导意义,三种像差的选定是根据初级像差的分析确定的,它们和自变量(球面曲率c)之间的关系近似为线性关系。
这才保证用3个自变量(c1,c2,c3)校正像差能够
很快完成。
而如果完全靠自动设计程序本身来解决,将困难得多。
当然,我们依然可以知道这虽然只是一个简单的望远物镜,但是其他光学系统的设计方法大致相同。
只是对于我们初学者再说,缺少足够的实际设计经验,对于一些常见像差的处理还显得比较稚嫩,远达不到光学工程师的灵活变通,这也启示我们在学好理论知识的同时,尽可能的多动手,多实践,将知识转化为能力。
§2对称式目镜设计
要求
根据下面给出的初始结构设计对称式目镜,与第五章要求设计的物镜相配合。
r
d
玻璃材料
76.64
1.5
F3
24.6
7.5
K9
-30.62
0.1
AIR
30.62
7.5
K9
-24.6
1.5
F3
-76.64
AIR
一、计算初始结构参数
对称式目镜是由两个双胶合组对称密接而成的,由于目镜是要配合前面设计的双胶合望远物镜,故按反向光路设计目镜时,它的设计要求为:
焦距
f’ 85
f‘=物=
»23;视场角由G=
tanw'
得tanw'=Gtanw=3.7´tan(5°)=0.3237
目 G 3.7 tanw
z
物
+l
F目
w'»18°;入瞳直径D=4mm;入瞳距离|l|>20mm;考虑物镜的玻璃厚度,出
zm
瞳距l'
=f'
' +Sd»85+20+35+10=150mm
二、用ZEMAX设计并优化对称式目镜
1.原始系统参数输入及像质评价
在GeneralLensData中,输入入瞳直径为4,采用中国玻璃库。
视场选择0、
4、9、14、18五个视场,波长选择“Select F,d,C”。
由前面计算可知,原始系统的参数输入及光学特性参数如下:
初始系统二维结构图如下图所示。
塞德尔像差系数
点列图
由于目镜是目视光学仪器,供人眼观察,故此处不考虑光学传递函数MTF。
从上面的初始系统图可以看出,透镜结构完全正常,点列图的像差也不大,接下来只需要根据系统像差要求,补偿物镜的像差即可。
2.利用ZEMAX对系统进行优化设计
(1)确定自变量
为保持系统的完全对称必须使用组合变量,厚度不作为变量,即选择3个曲率半径作为自变量。
(2)建立评价函数
3个自变量最多只能有3个像差参数进入校正,除了透镜的焦距f'以外,再
把目镜中最主要的两种像差像散x'和垂轴色差Dy'
加入校正,它们是目标值和
ts FC
公差如下表所示。
序号
像差参数
目标值
公差
1
f'
23
0
2
x'
ts
0
-0.0001
3
Dy'
FC
0
0
评价函数如下所示
只需要点击自动优化后,系统的参数,结构图,像差如下。
塞德尔像差系数
三、总结分析
由以上像差结果看出,加入操作数的像差后基本都下降了好多,尤其是像散。
但是我们显然发现目镜系统的垂轴色差仍然没有完全消除,而且对于球差,轴向色差等也都存在,但是这并不妨碍我们进行下一步与物镜的配合。
同时,我们也
可以加入双胶合物镜的dL'=0.00182,9K'=-0.00324,9DL' = 0.0009
m S FC 到目
镜的评价函数中去,使目镜的像差和物镜的像差尽可能的匹配。
§3双胶合望远镜系统配合
一、物镜和目镜的配合
将优化好的对称式目镜的玻璃按照反向光路设计的顺序依次粘贴在物镜像平面的前一面的。
复制粘贴后系统参数如下所示:
系统结构图
从系统结构图我们可以很明显看到平行光经过望远镜系统后的出射光依然是平行光,这是望远镜系统的基本要求,也验证了我们之前有关双胶合物镜和对称式目镜的设计优化是正确的。
点列图如下所示
塞德尔像差系数
此处由于是目视光学系统,故不考虑光学传递函数MTF,但从点列图和塞德尔系数发现初始望远镜系统的成像质量很差,远达不到我们对目视光学系统成像质量的要求,所以还需要进一步优化。
二、用ZEMAX优化双胶合望远镜系统
首先是确定自变量,仍然以物镜和目镜的曲率半径作为自变量
接着建立评价函数,对于望远镜系统来说,我们尽可能让所有的像差都很小,但是同时还要保证出射光为平行光,满足出瞳距大于20mm的要求。
所以我们选择一系列像差的操作数作为评价函数,如下图所示。
评价函数选择好以后就进行优化,开始优化时,选择一次循环,这样有助于我们观察系统结构是否发生异常,是否有必要对参数进行调整,当发生边缘厚度为负的情况时,可以加入边缘厚度条件。
总之,根据系统的结构以及像差,一步一步的调整参数,让系统达到最优结构,成像质量最好。
优化后的系统结构图
点列图如下
塞德尔像差系数
三、总结分析
经过不计其数的优化调整,最后的像差总算是减小了很多,从上面的点列图可以明显知道,整个系统的成像质量有了明显的提高,系统的结构图也近似地满足在20mm的出瞳位置为平行光,这对望远镜系统来说是符合要求的。
但是我们依然可以从塞德尔系数中看到,整个系统的轴上点球差、轴向色差、
垂轴色差、像散、场曲等还没有完全消除,仍处在少量像差,而且对于系统最后的出射光也并非是完完全全平行的,但是这些对于一个仅由双胶合物镜和对称式目镜构成的望远镜系统来说已经是可以接受的。
另外,我们要想在此基础上再提高该系统的成像质量可以将玻璃材料设为自变量,这时优化后可以看到,虽然像差减小了,但是优化后的玻璃材料却不都是我们常见的,这也给我们的实际生产带来了新问题。
所以,综上考虑,我们设计望远镜系统要尽可能满足各方要求,但同时要在设计时明白能达到的水平。
§4低倍消色差显微物镜设计
要求
β=-4,
NA=0.12,
共轭距:
L=190mm。
一、求物镜的焦距、物距和像距
根据公式
f'=-b L
(1-b2)
设计要求共轭距为190mm,考虑到实际透镜组有一定主面间隔,我们取L=185,
β=-3代入上式得
f'=
-(-4)
´18=5 2
[1--(42)]
物距l和像距l’分别为l=-f'(1-1)=-29.6´(1+1)=-37
b 4
l'=bl=-4´-(37=)
设计显微物镜时,通常按反向光路进行设计。
因为进行系统的像差计算时,物距
l(物平面到透镜组第一面顶点的距离)是固定的,在修改系统结构时,透镜的主面位置可能发生改变,上面计算出来的物平面到主面的距离l随之改变,当按正向光路计算像差时,由于|β|>1,轴向放大率则更大(α=β2)。
因此共轭距和物镜的倍率将产生大的改变,偏离了物镜的光学特性要求。
如果按反向光路计算,对应的垂轴放大率|β|<1,轴向放大率则更小,这样就能使共轭距和倍率变化很小。
反向光路对系统的光学特性要求为
l=-148,l'=37,b=1=-0.25,sinU=0.12=-0.03
-4 -4
二、原始系统结构参数的初级像差求解
(题目不要求,考虑到没给初始结构,故仿照书上例题求解)
我们用初级像差求解的结构参数作为下一步像差自动校正的原始系统。
(1)根据像差要求,求出P,W,C
由于显微镜的物镜和目镜都要互换使用,因此设计显微镜的物镜和目镜时,一般都不考虑它们之间像差的相互补偿,而采取分别独立校正,所以要求物镜的球差,正弦差和轴向色差都等于零。
即要求SI=SII=SIC=0
根据薄透镜系统的初级像差公式对单个薄透镜组有:
SI=hP=0
SII=hzP-JW=0
IC
S =h2C=0
由以上三个方程式很容易看到P,W,C的解为:
P=W=C=0
(2)将P,W,C规化成P¥,W¥,C
P
首先对hφ进行规化,根据公式
P=(hj)3
=0,W=
W
(hj)2
=0,C=Cf'=0
由于P=W=C=0,因此:
P¥=W¥=C=0
由于物平面位在有限距离,还要将对物平面位置进行规化根据公式
P¥=P-u(4W-1)+u2(5+2m),W
=W-u(2+m)
1 1
¥
1
其中
u= 1
u
1
hj
h h
=
()/( )
l f'
f'=
=
l
29.6
-148
=-0.2
因为
P=0,W=0,u1=-0.2,m=0.7
P¥=0.056,W¥=0.54
(3)求P0,根据P0, 查表选玻璃根据公式
P=P-0.85(W
-0.15)2=-0.073285
0 ¥ ¥
查附表2找玻璃,对显微物镜,在反向光路的情形,一般取冕玻璃在前。
由附表
2查得一对相近的玻璃为:
BaK7—ZF3,它们的有关参数为
BaK7:
ZF3:
n1=1.5688,v1=56
n2=1.7172,v2=29.5
P0=-0.11,Q0=-4.3
(4)求半径根据公式
1
j=(C-1)/(1-1)=2.113
v2 v1 v2
j2=1-j1=-1.113
根据公式求Q
Q=Q0
-W¥-0.15=-4.5341.67
根据公式求曲率
1=j+Q=2.113-4.534=-2.421
r
1
2
1=j1
r1 n1-1
+1=1.294
r2
1=1-j2
=-0.869
r3 r2 n2-1
按焦距=29.6缩放半径
光学设计实验报告
叶云
1120130901
r1=
r=
29.6
1.294
29.6
=22.8748mm
=-12.2264mm
2
r3=
-2.421
29.6
-0.869
=-34.0621mm
根据求得的半径和通光口径的要求,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光学 设计 实验 报告