1、光學設計課程報告光學設計課程報告 班級： 學號： 姓名： 日期：目錄一、 雙膠合望遠物鏡的設計02二、 攝遠物鏡的設計12三、 對稱式目鏡的設計與雙膠合物鏡的配合20四、 艾爾弗目鏡的設計30五、 低倍消色差物鏡的設計38六、 無限筒長的高倍顯微物鏡的設計47七、 雙高斯照相物鏡的設計52八、 反攝遠物鏡的設計62九、 課程總結70一、 雙膠合望遠物鏡的設計1、設計指標：設計一個周視瞄準鏡的雙膠合望遠物鏡（加棱鏡），技術要求如下：視放大率：；出瞳直徑：4mm；出瞳距離：大于等于20mm；全視場角：；物鏡焦距：；棱鏡折射率：n=1.5163(K9)；棱鏡展開長：31mm；棱鏡與物鏡的距離40mm

2、；孔徑光闌為在物鏡前35mm。2、初始結構計算(1)求根據(jù)光學特性的要求： (2)計算平行玻璃板的像差和數(shù)平行玻璃板入射光束的有關參數(shù)為平行玻璃板本身的參數(shù)為 d=31mm； n=1.5163； 帶入平行玻璃板的初級像差公式可得：(3)根據(jù)整個系統(tǒng)的要求，求出系統(tǒng)的像差和數(shù)，：為了保證補償目鏡的像差，要求物鏡系統(tǒng)（包含雙膠合物鏡和棱鏡）的像差為：，S=-0.001517 S=-0.001296 SC=-0.000380 (4)列出初級像差方程式求解雙膠合物鏡的由于所以雙膠合物鏡的像差和數(shù)為 (5)列出初級像差方程求P，W，CP=-0.000115 W=-0.00303 C=-0.0000081

3、08 (6)由P，W，C求由于h=7.4，f=85，因此有h=hf=7.485=0.0871進而可得：C=-0.0007 由于望遠鏡本身對無限遠物平面成像，因此無需再對物平面位置進行歸化：C=-0.0007 將帶入公式求P0=-0.431 C=-0.0007 根據(jù)C=-0.0007，P0=-0.431查找玻璃組合。最后選擇K10-ZF3。其參數(shù)為：K10： nD=1.5181 =58.9ZF3： nD=1.7172 =29.5(7)求透鏡組半徑1=2.045 2=1-1=-1.045 Q=-4.11 1r2=-2.065 1r1=1.882 1r3=-0.607945 r1=0.53r2=0.

4、48 r3=1.64 以上半徑對應焦距等于1，將它們乘以焦距f=85,得到最后要求的半徑為r1=45.05 r2=-40.8 r3=-139.82 (8).確定透鏡厚度透鏡厚度除了和球面半徑和透鏡直徑有關外，同是要考慮到透鏡的固定方法，質量要求，加工難易等因素，參考光學設計手冊中的規(guī)定，我們?nèi)1=4，d2=2。這樣，雙膠合物鏡的全部結構參數(shù)為 r d Glass r1=45.05 4 K10r2=-40.8 2 ZF3r3=-139.82 至此，雙膠合望遠物鏡的初級像差求解全部完成了，物鏡系統(tǒng)的全部結構參數(shù)如下： r d n 0(光闌) 35 1 45.05 4 1.5181(K10)-40

5、.8 2 1.7172 (ZF3)-139.82 40 10 31 1.5163(K9)3、zmax初始結構輸入將數(shù)據(jù)輸入zmax后，輸入結果如圖 系統(tǒng)二維結構圖 系統(tǒng)二維點列圖 初始光線扇形圖初始結構的光學特性參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop周視1.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 :

6、 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 91.45704 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 91.45704 (在像空間)Back Focal Length : 27.66368統(tǒng)計軌跡 : 139.6637圖像空間F/# : 6.17953離軸工作面F/# : 6.17953工作面F/# : 6.184464Image Space NA : 0.08064874物空間 NA : 7.4e-010光闌半徑 : 7.4離軸像高 : 8.001454近軸放大率 : 0入瞳直徑 : 14.8入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 24.19548入瞳直徑區(qū)域 : -

7、149.5167Field Type : Angle in degrees最大視場 : 5主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : 0.6116845Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.0

8、00000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.0000

9、00 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000004、zmax優(yōu)化 優(yōu)化過程中采用EFFL評價函數(shù)來控制透鏡焦距，將雙膠合物鏡的半徑作為自變量。優(yōu)化后最終結果如下所示：優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù) 系統(tǒng)二維圖 系統(tǒng)點列圖 系統(tǒng)光線扇形圖 優(yōu)化后系統(tǒng)光學參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop周視1.ZMXTitle: Date

10、 : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 : 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 85.05519 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 85.05519 (在像空間)Back Focal Length : 23.43016統(tǒng)計軌跡 : 135.4302圖像空間F/# : 5.746973離軸工作面F/# : 5.746973工作面F/# : 5.769

11、676Image Space NA : 0.08667491物空間 NA : 7.4e-010光闌半徑 : 7.4離軸像高 : 7.441365近軸放大率 : 0入瞳直徑 : 14.8入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 26.58762入瞳直徑區(qū)域 : -152.7983Field Type : Angle in degrees最大視場 : 5主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : 0.55665Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.00000

12、0 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6 0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.0

13、00000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000通過對于點列圖等其他報告的比較，可以看出系統(tǒng)的像差有了極大的改善，達到了系統(tǒng)所要求的像

14、差范圍。二、攝遠物鏡設計1、設計要求 焦距f=320mm,通光口徑D=60mm,視場2=1，像距54mmr d 246.55 13 1.5467 1.55282 1.54411(BAK3) -92.65 5 1.755 1.77475 1.74732(ZF6) -374.29 0.5 1 1 1 89.03 8 1.613 1.62012 1.6100(ZK7) 601.6 93.53 1 1 1 52.4 4 1.6259 1.63733 1.62132(BAF8) -15.3 1.5 1.614 1.62187 1.61073(ZK8) 14.46 1 1 1(1)輸入攝遠物鏡的半徑、厚度

15、和玻璃材料；(2)輸入光學特性參數(shù)：入瞳口徑、視場角和三種波長；(3)確定孔徑光闌位置，光闌與第一面重合；(4)將像距設定為理想像距；(5)畫二維或三維圖，觀察是否正確；(6)對像質進行評價，計算扇形像差、點列圖、波像差和MTF;(7)將所有半徑（光闌面除外）和厚度間隔設為變量；(8)建立評價函數(shù)，反復進行優(yōu)化；(9)評價成像質量2、zmax初始結構 系統(tǒng)參數(shù) 系統(tǒng)二維圖 點列圖 扇形像差 系統(tǒng)的MTF系統(tǒng)的結構參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop桌面zmax光學LEN1.ZMXTitle: Date : WED JAN 1

16、4 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 60Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 : 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 332.8009 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 332.8009 (在像空間)Back Focal Length : 57.84713統(tǒng)計軌跡 : 183.3771圖像空間F/# : 5.546682離軸工作面F/# : 5.546682工作面F/# : 5.567151Image Space

17、 NA : 0.08977994物空間 NA : 3e-009光闌半徑 : 30離軸像高 : 2.90431近軸放大率 : 0入瞳直徑 : 60入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 15.06316入瞳直徑區(qū)域 : -83.55057Field Type : Angle in degrees最大視場 : 0.5主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : 3.983228Fields : 4Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.10

18、0000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavele

19、ngths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系統(tǒng)優(yōu)化 優(yōu)化后的系統(tǒng)結構參數(shù) 優(yōu)化后的二維結構圖 優(yōu)化后的點列圖 優(yōu)化后的扇形像差 優(yōu)化后的MTF系統(tǒng)的結構參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop22.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 60Glass C

20、atalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 : 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 320.0284 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 320.0284 (在像空間)Back Focal Length : 162.9745統(tǒng)計軌跡 : 290.6838圖像空間F/# : 5.333807離軸工作面F/# : 5.333807工作面F/# : 5.337905Image Space NA : 0.09333249物空間 NA : 3e-009光闌半徑 : 30離軸像高 : 2.792846近軸放大率 : 0入瞳直

21、徑 : 60入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 46.87756入瞳直徑區(qū)域 : -250.0358Field Type : Angle in degrees最大視場 : 0.5主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : 1.27993Fields : 4Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 0.100000 1.000000 3 0.000000 0.300000 1.000000 4 0.000000 0.500000 1.00

22、0000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000

23、000 3 0.656273 1.000000由上面可以看出，經(jīng)過對系統(tǒng)的結構進行優(yōu)化，系統(tǒng)的焦距達到了預期，并且成像質量也得到了很大的改善，系統(tǒng)的像差得到了極大的優(yōu)化，通過觀察點列圖和MTF函數(shù)可以看出成像質量達到了預期。三、 對稱式目鏡的設計與雙膠合物鏡的配合1、設計要求設計并優(yōu)化對稱式目鏡；將反向設計的對稱式目鏡反轉并且與物鏡配合，組成望遠系統(tǒng)；R D GLASS76.64 1.5 AIR24.6 7.5 F3-30.62 0.1 K930.62 7.5 AIR-24.6 1.5 K9-76.64 166.7713 F30 -166.7713 AIR 由于要與之前設計的雙膠合物鏡配合，可

24、知目鏡有如下系統(tǒng)要求：焦距出瞳大于等于20mm像方視場角確定反向光路里面光闌的位置通過讀取雙膠合物鏡的系統(tǒng)參數(shù)，可以知道物鏡的出瞳距離（物鏡成像面到出瞳面的距離）為-152.7983，所以反向光路里面的光闌的位置=152.7983+22.973-9=166.77132、zmax初始結構 系統(tǒng)初始結構數(shù)據(jù)系統(tǒng)二維結構圖扇形像差點列圖系統(tǒng)特性參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop對稱式目鏡.ZMXTitle: Date : WED JAN 14 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 7系

25、統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 4Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 : 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 25.11461 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 25.11461 (在像空間)Back Focal Length : 18.99954統(tǒng)計軌跡 : 184.8713圖像空間F/# : 6.278652離軸工作面F/# : 6.278652工作面F/# : 6.276984Image Space NA : 0.07938361物空間 NA : 2e-010光闌半徑 : -11.7677

26、9離軸像高 : 8.160231近軸放大率 : 0入瞳直徑 : 4入瞳區(qū)域 : -23.26791入瞳直徑 : 23.53559入瞳直徑區(qū)域 : 147.7718Field Type : Angle in degrees最大視場 : 18主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : -0.1699554Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 3.000000 1.000000 3 0.000000 6.0000

27、00 1.000000 4 0.000000 9.000000 1.000000 5 0.000000 14.000000 1.000000 6 0.000000 18.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.0

28、00000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: 祄# Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.0000003、zmax系統(tǒng)優(yōu)化由系統(tǒng)參數(shù)看出系統(tǒng)的焦距不滿足條件，需要優(yōu)化。采用EFFL ，所有半徑均為自變量。對稱的半徑用P標記跟隨。評價函數(shù)如下：優(yōu)化后的系統(tǒng)的二維結構圖優(yōu)化后的扇形

29、像差優(yōu)化后的點列圖通過點列圖和扇形像差圖可以看出，系統(tǒng)的像差已經(jīng)滿足系統(tǒng)的設計要求。3、目鏡與物鏡的配合組合后的系統(tǒng)參數(shù)組合后的系統(tǒng)的二維結構圖組合后的點列圖組合后的系統(tǒng)的扇形像差組合系統(tǒng)的MTF組合系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop組合后.ZMXTitle: Date : THU JAN 15 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 15Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 14.8Glass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 :

30、 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : -85.03861 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : -85.03861 (在像空間)Back Focal Length : 42.0431統(tǒng)計軌跡 : 212.1278圖像空間F/# : 5.745852離軸工作面F/# : 5.745852工作面F/# : 5.787065Image Space NA : 0.08669168物空間 NA : 7.4e-010光闌半徑 : 7.4離軸像高 : 7.439914近軸放大率 : 0入瞳直徑 : 14.8入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 3.831852入瞳直徑區(qū)域

31、: -22.01725Field Type : Angle in degrees最大視場 : 5主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : -3.862362Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 2.000000 1.000000 4 0.000000 3.000000 1.000000 5 0.000000 4.000000 1.000000 6

32、0.000000 5.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000004 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000005 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000006 0.0

33、00000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: # Value Weight 1 0.486133 1.000000 2 0.587562 1.000000 3 0.656273 1.000000從點列圖和扇形圖可以看出，組合系統(tǒng)的成像質量還是很好的，符合系統(tǒng)的設計要求。從特性參數(shù)可以看出，出瞳直徑為: -22.01725，滿足系統(tǒng)的出瞳大于20的要求，滿足設計要求四、 艾爾弗目鏡的設計1.設計要求：設計一個艾爾弗目鏡，焦距25mm，半視場25，出瞳直徑3.8mm，出瞳距離18mm，初始結構如下：r d 玻璃材料17

34、4.91 AIR34.79 3 F4-29.67 14 K972.03 0.25 AIR -72.03 7.8 K932.27 0.25 AIR-32.27 15.3 K956.77 1.7 F40 AIR2.zmax初始結構初始結構輸入初始結構的二維圖形輸出初始結構的點列圖初始結構的扇形像差初始結構的系統(tǒng)參數(shù)System/Prescription DataFile : C:UsersweihuaDesktop艾爾弗.ZMXTitle: Date : THU JAN 15 2015GENERAL LENS DATA:Surfaces : 10Stop : 1系統(tǒng)光圈 : 入瞳直徑 = 3.8G

35、lass Catalogs : SCHOTT CHINARay Aiming : Off變跡 : 均衡,統(tǒng)一的, 因子 = 0.00000E+000有效的焦點長度 : 25.30269 (系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度 : 25.30269 (在像空間)Back Focal Length : 16.42645統(tǒng)計軌跡 : 76.72645圖像空間F/# : 6.658604離軸工作面F/# : 6.658604工作面F/# : 6.663005Image Space NA : 0.07488物空間 NA : 1.9e-010光闌半徑 : 1.9離軸像高 : 11.79884近軸放大率

36、: 0入瞳直徑 : 3.8入瞳區(qū)域 : 0入瞳直徑 : 10.56567入瞳直徑區(qū)域 : 70.35262Field Type : Angle in degrees最大視場 : 25主光波長 : 0.5875618鏡頭單位 : 毫米角度放大率 : -0.3596553Fields : 6Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 5.000000 1.000000 3 0.000000 10.000000 1.000000 4 0.000000 15.000000 1.000000 5 0