1、-I-摘要摘要：設(shè)計(jì)三片庫(kù)克照相物鏡，給出三片鏡子的結(jié)構(gòu)參數(shù)按照設(shè)計(jì)要求合理設(shè)計(jì)。近軸光路追跡求出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的焦距和后焦距。然后利用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。關(guān)鍵詞：照相物鏡；光學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：采用三片庫(kù)克（cookie）結(jié)構(gòu)，D/f=1/5,半像面尺寸：18mm半視場(chǎng)角：20設(shè)計(jì)波長(zhǎng)：0486um、0587um、0.656um，口徑D：10mm計(jì)算：系統(tǒng)焦距f,后焦距（BFL）第一章緒論我們?cè)O(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)采用光線模型方法，即利用幾何光學(xué)和光學(xué)工程中涉及到的基本方法、基本公式設(shè)計(jì)三片庫(kù)克照相物鏡。利用光線模型設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)是非常重要的方法。曾經(jīng)有位美國(guó)學(xué)者在回答有關(guān)光線和波動(dòng)

2、理論應(yīng)用問(wèn)題時(shí)，睿智的說(shuō);“你用光線理論設(shè)計(jì)照相機(jī)鏡頭，盡管是近視理論，但你用一個(gè)星期可以完成；然而你若用衍射理論設(shè)計(jì)照相機(jī)鏡頭，雖然你用的理論很?chē)?yán)格，也去你一輩子才能設(shè)計(jì)出一個(gè)鏡頭?！笨梢?jiàn)用幾何光學(xué)和工程光學(xué)中的光線模型設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)是多么的重要。而近軸光線的追跡公式又是利用光線理論設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)近軸光學(xué)公式的性質(zhì)，它只能適用于近軸區(qū)域，但是實(shí)際使用的光學(xué)儀器，無(wú)論是成像物體的大小，或者由一物點(diǎn)發(fā)出的成像光束都要超出近軸區(qū)域。這樣看來(lái)，研究近軸光學(xué)似乎沒(méi)有很大的實(shí)際意義。但是事實(shí)上近軸光學(xué)的應(yīng)用并不僅限于近軸區(qū)域內(nèi)，對(duì)于超出近軸區(qū)域的物體，仍然可以使用近軸光學(xué)公式來(lái)計(jì)算平面的位置和像

3、的大小。也就是說(shuō)把近軸光學(xué)公式擴(kuò)大應(yīng)用到任意空間。對(duì)于近軸區(qū)域以外的物體，應(yīng)用近軸光學(xué)公式計(jì)算出來(lái)的像也是很有意義的：第一，作為衡量實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)：一個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)像點(diǎn)；垂直于光軸的共軛面上放大率相同。如果實(shí)際共軸球面系統(tǒng)的成像符合理想則該理想像的位置和大小必然和用近軸光學(xué)公式計(jì)算所得結(jié)果相同。因?yàn)樗鼈兇砹藢?shí)際近軸光線的像面位置和放大率。如果光學(xué)系統(tǒng)成像不符合理想，當(dāng)然就不會(huì)和近軸光學(xué)公式計(jì)算出的結(jié)果一致。二者間的差異顯然就是該實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)和理想像間的誤差。也就是說(shuō)，可以用它作為衡量該實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的指標(biāo)。因此，通常我們把用近軸光學(xué)

4、公式計(jì)算出來(lái)的像，稱(chēng)為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的理想像。第二，用它近似地表示實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成像的位置和大小。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)或者分析光學(xué)系統(tǒng)的工作原理時(shí)，往往首先需要近似地確定像的位置的大小。能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用要求的光學(xué)系統(tǒng)，它所成的像應(yīng)該近似地符合理想。也就是說(shuō)，它所成的像應(yīng)該是比較清晰的，并且物像大體是相似的。所以，可以用近軸光學(xué)公式計(jì)算出來(lái)的理想像的位置和大小，近似地代表實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成像的位置和大小。由此可見(jiàn)近軸光學(xué)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義，它在今后的研究光學(xué)系統(tǒng)的成像原理時(shí)經(jīng)常用到。大連民族學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)（論文）題目第二章照相物鏡手工計(jì)算近軸光線追跡求解系統(tǒng)焦距f及后焦距值BFL（1）第一面光路追跡

5、平行光入射h=5mmhh5i=0.233r21.4651921.46519=0.617x0.233=0.1441.6221.46519!ii=21.46519=0.2330.1441.6221.465190.089ri=21.46519u第一次轉(zhuǎn)面=56.195u=u=0.089l=l-3=56.1953=53.1952）第二面光路追跡l(470.95164)53.195+470.95164i=u=x0.089=0.099470.95164470.95164,1.62i=i=1.62x(0.099)=0.161u=u+ii=0.089+(0.099)(0.16)=0.15470.95164il

6、=470.95164+=31.4u第二次轉(zhuǎn)面uu0.15ll-631.4-625.4(3)第三面光路追跡l(22.074157)25.4+22iu2.1522.07415722,12.15ii1.331.621.62uu+ii0.15+(2.15)(1.33)0.722.074157il=-22.074157+=63.8u第三次轉(zhuǎn)面u=u=0.763.81=64.84）第四面光路追跡l19.5123564.819.5i=u=x(0.7)=3.0319.5123519.5,1.62i=i=1.62x3.03=4.911u=u+ii=0.7+3.034.91=2.5819.512357il=19.

7、512357+=17.61u第四次轉(zhuǎn)面u=u=2.58l=l4.75=17.614.75=22.365）第五面光路追跡l76.66059222.3676.661.2976.66059276.661i=1.621.290.801.62u+ii=(2.58)+(1.29)(0.80)=3.0776.660592il=76.660592+=96.64u第五次轉(zhuǎn)面u=u=3.07l=l3=96.64(6)第六面光路追跡.l(18.342215)i=u18.3422153=93.6493.64+18.34=6.1118.34i=1.62i=1.62x(6.11)=9.891u=u+ii=(3.07)+(

8、6.11)(9.89)=0.71-18.432215i1=-18.342215+二238.38u三片庫(kù)克（cookie）近軸追跡結(jié)束焦距為f=htanuTOC o 1-5 h z55=5.81tan0.710.86后焦距為1=_18.342215238.38-18.432215i+u第三章Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起。ZEMAX不只是透鏡設(shè)計(jì)軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件，具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn),與其他軟件不同的是ZEMAX的CAD轉(zhuǎn)檔程序都是雙向的，如IGES

9、、STEP、SAT等格式都可轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出。而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)，ZEMAX當(dāng)前有：SE及EE兩種版本。ZEMAX可應(yīng)用的領(lǐng)域及范圍：常規(guī)相機(jī)鏡頭、數(shù)碼相機(jī)鏡頭，觀景窗等鏡頭設(shè)計(jì)，DVD、VCD讀寫(xiě)頭、投影監(jiān)視器、照明系統(tǒng)、干涉儀、LED、LaserDiode。ZEMAX功能說(shuō)明：（1）序列性（Sequential）光線追跡大多數(shù)的成像系統(tǒng)都可由一組的光學(xué)表面來(lái)描述，光線按照表面的順序進(jìn)行追跡。如相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡鏡頭、顯微鏡鏡頭等。ZEMAX擁有很多優(yōu)點(diǎn)，如光線追跡速度快、可以直接優(yōu)化并進(jìn)行公差計(jì)算。ZEMAX中的光學(xué)表面可以

10、是反射面、折射面或繞射面，也可以創(chuàng)建因光學(xué)薄膜造成不同穿透率的光學(xué)面特性；表面之間的介質(zhì)可以是等向性的，如玻璃或空氣，也可以是任意的漸變折射率分布，折射率可以是位置、波長(zhǎng)、溫度或其它特性參數(shù)的函數(shù)。同時(shí)也支持雙折射材料，其折射率是偏振態(tài)和光線角度的函數(shù)。在ZEMAX中所有描述表面的特性參數(shù)包括形狀、折射、反射、折射率、漸變折射率、溫度系數(shù)、穿透率和繞射階數(shù)都可以自行定義。（2）非序列性（Non-Sequential）光線追跡很多重要的光學(xué)系統(tǒng)不能用Sequential光線追跡的模式描述，例如復(fù)雜的棱鏡、光機(jī)、照明系統(tǒng)、微表面反射鏡、非成像系統(tǒng)或任意形狀的對(duì)象等，此外散射和雜散光也不能用序列性分

11、析模式。這些系統(tǒng)要求用Non-Sequential模式，光線是以任意的順序打到對(duì)象上，Non-Sequential模式可以對(duì)光線傳播進(jìn)行更細(xì)節(jié)的分析，包括散射光或部分反射光。在進(jìn)行Non-Sequential追跡時(shí)，用ZEMAX做的3D固體模型的光學(xué)組件，可以是任意形狀且支持散射、繞射、漸變折射率、偏振和薄膜，可用亮度學(xué)和輻射度學(xué)的單位。（3）Sequential的光源在Sequential追跡中，光源由物面上的視場(chǎng)或Bitmap擴(kuò)展光源定義。有常規(guī)的點(diǎn)光源，視場(chǎng)點(diǎn)可由角度、物高、實(shí)際像高或近軸像高來(lái)定義；點(diǎn)光源可以用不同權(quán)重定義，還可以分別指定每個(gè)光源的漸暈，進(jìn)而調(diào)整不同視場(chǎng)的相對(duì)照度或F/

12、。ZEMAX也支持像散或橢圓形狀的二極體光源及擴(kuò)展光源，這些光源允許使用者用ASCII碼自行定義的，它類(lèi)似于Bitmap圖形，或用標(biāo)準(zhǔn)的WindowsBMP或JPG格式而且各個(gè)象素上的光強(qiáng)度可以是不同的。（4）Non-Sequential光源Non-Sequential光源比Sequential光源復(fù)雜得多。Non-Sequential光源一般是三維的，可以定義其輸出的照度（單位為瓦或流明），它可用光源發(fā)出的光線數(shù)控制光源取樣，還可分開(kāi)控制顯示的光線數(shù)及用于分析的光線數(shù)。它可以同時(shí)使用多個(gè)光源，它們可以是相干的（需定義相干長(zhǎng)度）或非相干的，也可以是單色的或復(fù)色的。支持的光源有：點(diǎn)光源（unif

13、orm,cosine,orGaussian）、橢圓面或?qū)嶓w、矩形面或?qū)嶓w、圓柱面或?qū)嶓w、半導(dǎo)體激光或數(shù)組、燈絲、自行定義（可以是任意的）、以RadiantImaging的RadiantSourceTM讀取。（5）玻璃、鏡頭和樣板目錄ZEMAX提供的玻璃包括有Schott,Hoya,Ohara,Corning,和Sumita（當(dāng)前不包括中國(guó)玻璃），和紅外材料、塑膠和自然材料（如硅）及雙折射材料。目錄里包括色散、溫度分析、力度/酸、成本因子和其它數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都可以看到或是進(jìn)行更改，另外可很方便地增加數(shù)據(jù)。當(dāng)前存放的鏡頭數(shù)據(jù)廠家有:Coherent,CVI,EdmundIndustrialOpti

14、cs,Esco,Geltech,JML,LightPathTechnologies,Linos,MellesGriot,Newport,NSGAmerica,OpticsforResearch,OptoSigma,Philips,Quantum,RolynOptics,RossOptical,andSpindler和Hoyer等，ZEMAX支持自動(dòng)進(jìn)行樣板比對(duì)，使用者還可以自行創(chuàng)建玻璃和樣板庫(kù)或是針對(duì)已有的數(shù)據(jù)庫(kù)中添加數(shù)據(jù)。（6）優(yōu)化ZEMAX使用最小阻尼二乘法，可使用默認(rèn)或自定義的優(yōu)化函數(shù)，也可同時(shí)對(duì)任意數(shù)量的變量?jī)?yōu)化。在ZEMAX中有20個(gè)默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)，包括使光點(diǎn)半徑或波像差的peak-t

15、o-valley或RMS最小，可以預(yù)先定義控制目標(biāo)數(shù)，包括像差系數(shù)等。ZEMAX可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)中任何參數(shù)，包括曲率半徑、厚度、玻璃、二次項(xiàng)系數(shù)和非球面系數(shù)、光機(jī)周期、孔徑、波長(zhǎng)、視場(chǎng)等。Non-Sequential的位置和參數(shù)也可以進(jìn)行優(yōu)化。ZEMAX擁有全域優(yōu)化的功能，可以給出一系列滿(mǎn)足目標(biāo)和限制的設(shè)計(jì),ZEMAX支持2種全域優(yōu)化：（1）search:尋找新的設(shè)計(jì)形式，進(jìn)行優(yōu)化，然后找尋最佳的10個(gè)設(shè)計(jì)形式，直到使用者中斷計(jì)算為止。（2）hammeroptimization：完全尋找當(dāng)前設(shè)計(jì)形式中較好的形式，Hammer優(yōu)化用在設(shè)計(jì)的最后階段，以確定最佳可能設(shè)計(jì)形式，此二種算法使用相同的優(yōu)化函

16、數(shù)。（7）公差分析ZEMAX默認(rèn)的公差分析項(xiàng)目包括：曲率半徑、厚度、條紋、位置、傾斜、離軸、局部誤差、折射率、Abbe數(shù)等，還可以自行定義公差，包括非球面系數(shù)、離心/傾斜、solve和參數(shù)公差等。定義的補(bǔ)償器包括：焦距、傾斜、任意組件或表面或組的位置，還可以選擇公差評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有RMSspotradius、RMSwavefronterror、MTF、boresighterror或是更復(fù)雜的自定義標(biāo)準(zhǔn)。Sensitivity分析可單獨(dú)考慮每個(gè)定義的公差，可將參數(shù)調(diào)整到公差范圍的極限，然后確定每補(bǔ)償器的最佳值，最后可將每個(gè)公差的貢獻(xiàn)列表輸出。（8）InverseSensitivity分析在定義系統(tǒng)最

17、低效能后，inversesensitivity分析疊代計(jì)算每個(gè)參數(shù)的公差容限。（9）MonteCarlo分析4MonteCarlo分析非常有用，功能也非常強(qiáng)大，因?yàn)樗瑫r(shí)考慮所有公差的影響。透過(guò)定義的公差生成一些隨機(jī)系統(tǒng)，取用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)模型，調(diào)整所有的補(bǔ)償器，使每個(gè)參數(shù)隨機(jī)擾動(dòng)，然后評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。（10）變焦和多重結(jié)構(gòu)ZEMAX支持變焦鏡頭分析和設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)變焦鏡頭、掃描鏡頭、多光路系統(tǒng)、透鏡數(shù)組、干涉儀、分光鏡等，可對(duì)多重結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，各結(jié)構(gòu)是可有相同或不同的優(yōu)化函數(shù)、變化和約束條件也可是相同或不同的。（11）物理光學(xué)傳播PhysicalOpticsPropagation（PO

18、P）不是用光線追跡而是用繞射計(jì)算的方法計(jì)算光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播，并考慮透鏡孔徑的繞射和光束在透鏡之間的傳播情況，它可用單位面積的能量來(lái)定義光束，輸出包括輻射和相位面的圖形、截面圖、能量分布和光纖耦合，也可計(jì)算不在光軸上的傾斜光束。（12）溫度分析有些光學(xué)系統(tǒng)用在很廣的溫度范圍或不在常溫下使用時(shí)，需要考慮溫度和壓力的影響。ZEMAX使用非線性溫度模型，而不是簡(jiǎn)單的dn/dt近似。ZEMAX可以指定或優(yōu)化溫度膨脹系統(tǒng)的透鏡或組件之間的間距，玻璃目錄包括溫度和壓力數(shù)據(jù)，以支持溫度效應(yīng)分析計(jì)算，可以精確地仿真光學(xué)面的溫度膨脹特性。巨集ZEMAX支持巨集語(yǔ)言，稱(chēng)為ZPL,其結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像BASIC，也支持

19、函數(shù)調(diào)用、自定義數(shù)組、數(shù)字和字串、文本和圖形輸出等。針對(duì)更復(fù)雜的分析功能，ZEMAX支持延伸功能程序界面，叫Extensions,可在外部程序的控制下進(jìn)行光線追跡、分析和優(yōu)化，可用C或C+語(yǔ)言編寫(xiě)。（13）偏振光追跡ZEMAX具有全面的偏振光追跡和分析能力，可以任意定義輸入光線的偏振態(tài)，ZEMAX可考慮穿透、反射、吸收、偏振態(tài)、衰減和延遲。偏振光追跡可要求計(jì)算面和體材料的效應(yīng)，面效應(yīng)決定于面上的光學(xué)薄膜特性。（14）薄膜模型ZEMAX具有薄膜的建模能力，可定義多層金屬或介電質(zhì)膜。薄膜可以用在介電質(zhì)或金屬基底上，可以由任意層數(shù)、任意材料組成，每種材料可以由復(fù)折射率定義。（15）擴(kuò)展光源分析在設(shè)計(jì)

20、成像系統(tǒng)時(shí)，點(diǎn)光源能夠精確描述很多方面的成像質(zhì)量，但是擴(kuò)展光源對(duì)觀察畸變（特別是非徑向畸變）很有用，用來(lái)檢査像的方向、分色及定量觀察整個(gè)系統(tǒng)的性能。ZEMAX支持二種擴(kuò)展光源：ASCII格式的光源，是一些簡(jiǎn)單的形狀，如字母、方塊等，也支持彩色的WindowsBMP和JPG格式的光源，它可以對(duì)光源進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)，也可以放在視場(chǎng)中的任何地方。（16）材料建模ZEMAX中有詳細(xì)的體吸收模型，包括任意波長(zhǎng)、任意厚度的玻璃穿透率，體吸收會(huì)使光線衰減，衰減的程度決定于光線的光程、材料特性和波長(zhǎng)，所有材料都可以定義吸收或穿透特性。（17）偏振數(shù)據(jù)ZEMAX可以定義偏振與非偏振入射光束，可在3D空間中追跡電場(chǎng)

21、矢量，包括每個(gè)面的交點(diǎn)處之S和P分量，其偏振分析結(jié)果可以是表格數(shù)據(jù)或圖形數(shù)據(jù)。（18）雙折射材料ZEMAX可仿真雙折射單軸晶體，如方解石。其介質(zhì)的有效折射率是角度（與面法線及晶軸的夾角）的復(fù)函數(shù)，因此這些材料的光線追跡相當(dāng)復(fù)雜，ZEMAX可全面地以3D處理傳播的光線，可正確計(jì)算任何入射角、任意晶軸方向的任何偏振態(tài)之相位，也可考慮偏振穿透率，另外o光和e光的路徑也可計(jì)算，其中還包含雙折射材料庫(kù)，任何色散的新材料都可以自定義。第三章課程設(shè)計(jì)結(jié)果Zemax驗(yàn)證(!(三維立體圖平面圖6System/PrescriptionDataFile:C:ZEMAXSAMPLESLENS.ZMXTitle:Len

22、shasnotitle.Date:SATNOV142009LENSNOTES:Notes.GENERALLENSDATA:SurfacesStopSystemApertureGlassCatalogsRayAimingApodizationEffectiveFocalLength:EffectiveFocalLength:BackFocalLengthTotalTrackImageSpaceF/#ParaxialWorkingF/#WorkingF/#ImageSpaceNAObjectSpaceNAStopRadiusParaxialImageHeight:ParaxialMagnification:EntrancePupilDiameter:EntrancePupilPosition:ExitPupilDiameter:ExitPupilPosition:FieldTypeMaximumFieldPrimaryWaveLensUnitsAngularMagnification:7:4:EntrancePupilDiameter=10Schott:Off:Uniform,factor=0.00000E+00050.08901(inair)50.08901(inimages