1、燕山大學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：基于Zemax的潛望鏡的設(shè)計(jì)學(xué)院(系)： 年級(jí)專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 1. 課程設(shè)計(jì)目的與意義目的：讓學(xué)生從書面理論知識(shí)，轉(zhuǎn)接到實(shí)踐解決具體的問題，理解潛望鏡的設(shè)計(jì)原理，以及對(duì)即將繼續(xù)深造考研的同學(xué)提前了解和熟悉光學(xué)設(shè)計(jì)的流程和相關(guān)應(yīng)用軟件的使用。意義：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，真理是實(shí)踐出來的。課程設(shè)計(jì)教學(xué)是把理論和實(shí)踐相互結(jié)合，如此可讓學(xué)生真正理解所學(xué)學(xué)科之作用，激發(fā)學(xué)生向更深層次追求的動(dòng)力，知行合一，教學(xué)才真正完整。2. 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容簡(jiǎn)介課程設(shè)計(jì)內(nèi)容分為三個(gè)任務(wù)，第一個(gè)任務(wù)是設(shè)計(jì)單透鏡并研究其球差特性

2、，及優(yōu)化雙膠合結(jié)構(gòu)的球差和軸向色差。第二個(gè)任務(wù)是人眼的幾何光學(xué)仿真及遠(yuǎn)視校正。第三個(gè)任務(wù)就是潛望鏡的設(shè)計(jì)。3. 課程設(shè)計(jì)步驟（1）熟悉和理解設(shè)計(jì)題目的要求。（2）熟悉如何使用ZEMAX軟件。（3）掌握各種操作數(shù)的使用，以及分析窗口的使用。（4）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化參數(shù)。3.1潛望鏡的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：EFL=200mm，前透鏡到光闌的距離為90mm，光闌到后透鏡的距離也為90mm。透鏡材料為SF2，波長(zhǎng)為0.55um。前后透鏡厚度均為15mm,視場(chǎng)角分別設(shè) 、。選擇近軸工作F數(shù)為10（既數(shù)值孔徑為20mm），物距800mm。圖1.1初始的LDE表圖其中，曲徑半徑關(guān)系為面4“pick up”面2值做-1

3、值，面5“pick up”面1做+1值跟隨。厚度是STO面對(duì)面2做+1值跟隨。此時(shí)打開3D Layout如圖：圖1.2潛望鏡的初始結(jié)構(gòu)圖然后設(shè)置MFE操作數(shù)，如圖所示：圖1.3MFE列表圖此時(shí)可以看到EFL=206.mm與要求的200mm有所差距，所以選擇空氣隙的厚度作為變量，該MFE中只有EFFL激活，其他操作數(shù)做監(jiān)視器作用。然后執(zhí)行優(yōu)化OPT，此時(shí)EFL變成200mm。圖1.4MFE中EFFL操作數(shù)接著激活PMAG操作數(shù)（目標(biāo)值為-1，權(quán)重為1），將物距設(shè)為變量（去掉原先的其他變量），進(jìn)行優(yōu)化，然后，利用PMAG操作數(shù)，移動(dòng)物的位置，使物位于單位倍率處，以便使系統(tǒng)表現(xiàn)出對(duì)稱特性。為此，在M

4、FE中加入PMAG操作數(shù)。PMAG限定的是近軸主光線在近軸像面上的高度與物高之比，令就能達(dá)到上述“物置于單位倍率處，系統(tǒng)對(duì)稱”的效果?？傻?D Layout圖：圖1.5物位于單位倍率處時(shí)對(duì)稱系統(tǒng)的外形圖把物置于無窮遠(yuǎn)，物的厚度設(shè)為Infinity。把前半部分的曲率和光闌空氣隙厚度設(shè)為變量，在MFE中插入TRAC操作數(shù)，同時(shí)關(guān)掉PMAG。此時(shí)的各視場(chǎng)的RMS值分別為10.4、685.1、1553.4微米。執(zhí)行優(yōu)化后，RMS值變?yōu)?9.66、95.0、134.9微米，下面給出優(yōu)化前后RMS值的點(diǎn)列圖以及優(yōu)化前的光線扇曲線和場(chǎng)曲曲線。圖1.6.1優(yōu)化前的RMS值圖1.6.2優(yōu)化后的RMS值圖1.7優(yōu)

5、化前的光線扇曲線和場(chǎng)曲曲線再看看變化后的結(jié)構(gòu)圖，此時(shí)系統(tǒng)的外形圖是經(jīng)典的潛望鏡結(jié)構(gòu)了。圖1.8優(yōu)化設(shè)計(jì)完成的經(jīng)典潛望鏡結(jié)構(gòu)圖以及光線扇曲線和場(chǎng)曲曲線的變化，從下圖可以看出T曲線偏向右邊逐漸趨近與垂直軸。圖1.9優(yōu)化后的光線扇和場(chǎng)曲曲線在系統(tǒng)的IMA面前插入一個(gè)虛擬面，將其厚度作為變量。同時(shí)將潛望鏡前、后透鏡的厚度均由15mm變?yōu)?mm，其它設(shè)置不變，進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行平視場(chǎng)優(yōu)化，再添加三個(gè)FCGT操作數(shù)。圖1.10添加三個(gè)FCGT操作數(shù)優(yōu)化得到場(chǎng)曲曲線的變化，有T曲線與垂直軸重合：圖1.11添加FCGT操作優(yōu)化后的場(chǎng)曲曲線最后讓我們看看此時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。圖1.12添加FCGT操作數(shù)優(yōu)化后的潛望鏡結(jié)

6、構(gòu)圖以及最終的LDE數(shù)據(jù)表圖圖1.13添加FCGT操作數(shù)優(yōu)化后的LDE表圖至此，潛望鏡設(shè)計(jì)訓(xùn)練就基本完成。3.2單透鏡設(shè)計(jì)及眼睛的校正（1）單透鏡設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)正透鏡、負(fù)透鏡的球差關(guān)系，與雙膠合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化軸向色差。單透鏡設(shè)計(jì)之正透鏡數(shù)據(jù)：圖2.1正透鏡LDE表圖2.2正透鏡結(jié)構(gòu)圖圖2.3正透鏡的球差從上圖可以得出，正透鏡的球差為正的。單透鏡設(shè)計(jì)之負(fù)透鏡數(shù)據(jù)：圖2.4負(fù)透鏡LDE表圖2.5負(fù)透鏡結(jié)構(gòu)圖圖2.6負(fù)透鏡的球差從這里得到負(fù)透鏡的球差為負(fù)的，如此為雙膠合結(jié)構(gòu)中正負(fù)透鏡相互組合可以消除球差做出了理論支持。（2）下面做雙膠合結(jié)構(gòu)，使用了一正一負(fù)兩個(gè)透鏡，利用其球差的不同性質(zhì)，遂可以完成光學(xué)系統(tǒng)

7、的球差相互抵消功能。單透鏡設(shè)計(jì)之雙膠合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：圖2.7雙膠合結(jié)構(gòu)的LDE表圖2.8雙膠合結(jié)構(gòu)圖圖2.9雙膠合結(jié)構(gòu)像差數(shù)據(jù)表圖2.10雙膠合結(jié)構(gòu)的軸向色差曲線人眼的幾何光學(xué)仿真及遠(yuǎn)視校正：圖3.1人眼幾何光學(xué)仿真加遠(yuǎn)視鏡LDE表圖3.2人眼幾何光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖 圖3.3多結(jié)構(gòu)情形下系統(tǒng)的MTF曲線和Diffraction Images圖在原有的基礎(chǔ)之上加一個(gè)眼睛。圖3.4加上遠(yuǎn)視鏡的人眼幾何光學(xué)方正結(jié)構(gòu)圖圖3.5遠(yuǎn)視鏡矯正后多結(jié)構(gòu)情形下系統(tǒng)的MTF曲線和Diffraction Images圖4. 課程設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過了兩周的光學(xué)課程設(shè)計(jì)，我對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)過程有了基本的了解，也基本掌握了簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在課程設(shè)計(jì)過程中遇到了各種問題，通過網(wǎng)上尋找資料，同學(xué)