光学设计实验(一)望远镜系统设计实验

1、光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；（2）介绍光学设计ZEMAX的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX来实现2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f=25mm，出瞳直径D=4mm，出瞳距>22mm，视场角2w=25°；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。（总分：30分）（3）将

2、上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3左右。如不符合要求，可结合ZEMAX中paraxial理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f>100000）等手段。（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F，d，C）波段。问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。判定出射光束角像差小约3左右的方法：在像面前插入

3、一个paraxial类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm，则Spot diagram 的Geo Radius则应小1mm。3 设计流程 所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。1) 外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求，即确定放大率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距、光阑位置等。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进

4、行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤必须慎重行事。本实验已经基本确定外形尺寸，只需通过计算求出所有需要的外形尺寸参数。2）初始结构的计算和选择 初始结构的确定常用以下两种方法： 1.根据初级象差理论求解初始结构 这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统各光学零件的曲率半径、透镜厚度和间隔、玻璃折射率和色散等。 利用初级象差理论求解的初始结构，不仅对小孔径小视场的光学系统非常有

5、效，就是对于比较复杂的光学系统也比任意选择的结构更容易接近所求的解，使设计容易获得成功。这是因为在求解过程中，要对各种象差进行全面分析，对各种象差之间的关系有了全面了解，所以在象差校正时能够做到总体平衡，不至于陷入象差的局部性校正。 2.从已有的资料中选择初始结构对于大视场和大孔径及结构复杂的光学系统，如广角物镜、大孔径照相物镜等，一般都从已有的技术资料和专利文献中选择其光学特性与所要求得相接近的结构作为初始结构。这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被广大光学设计者广泛采用。但要求设计者对光学设计理论有深刻了解，并有丰富得设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的

6、初始结构。 初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验得设计者也无法设计获得成功。这也是本实验的重中之重，两种方法均可选择，采用方法一可选择相关书籍（例如，电子工业出版社出版，张以谟主编的应用光学）学习如何以初级象差求取光学系统的初始结构。采用方法二，可在相关光学设计手册（例如，北京理工大学出版社出版，李士贤、郑乐年编的光学设计手册）中查找合乎要求的初始结构。3）象差校正和平衡初始结构选好后，要在电子计算机上进行光路计算（本实验使用Zemax），或用象差自动校正程序进行象差自动校正。然后根据计算结构画出象差曲线，分析象差找

7、出原因，再反复进行象差校正和平衡，直到满足成像质量要求为止。4）象质评价 在设计过程中可用轴外象差等特性曲线来预估光学系统的成象质量。推荐相关参考书籍：实用光学设计方法与现代光学系统 张登臣 郁道银 机械工业出版社现代光学设计方法 袁旭沧 南京理工大学4 Zemax的基本使用本实验中所涉及的一些Zemax的使用主要包括如下：1） 编辑镜头数据打开Zemax软件后，可看到如图1界面，Lens Data Editor是镜头数据编辑器，镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料、孔径尺寸。单透镜由两个面组成 (前面和

8、后面)，物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中。当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面(或一个光阑)。在初始状态 (除非镜头已给定) 通常显示三个面：即物面、孔径光阑面、像面。（关于镜头各项参数的Solves的使用，根据个人设计需要进行选择，通常使用V、P两种，若不设置则这项参数为固定值，详细用法参考相关书籍和教程。本实验设计中的最后一个面(不含像面)的d值，即厚度的解的类型均设为Marginal Ray Height。）注意孔径光阑的设置图12）编辑评价

9、函数选择Editors下拉菜单中Merit Function可打开评价函数编辑器如下图2。评价函数编辑器用来定义、修改和检查系统的评价函数，评价函数用于按照各种边界条件(包括各种象差、焦距等)来优化光学系统。例如我们要求有效焦距为100mm，则可在评价函数中利用名为EFFL操作数对焦距进行限定。评价函数编辑器中操作数也是可以直接选中编辑或者增减。根据需要按象差容限（象差公差）计算出各种象差的指标，并通过评价函数中的操作数实现对象差的限定。比如本实验中，目镜承担校正轴外像差，物镜承担校正轴上像差。评价函数的详细使用参考相关书籍和教程。图2 3）设定系统参数选定System下拉菜单中General

10、选项，弹出如图3界面，在Aperture中有几种方式设定系统光圈（包括F#，NA，aperture等）。本实验设计选择Aperture的类型为Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）。图3选定System下拉菜单中Field选项，弹出如图4界面，在此可设定不同的视场。作为小视场光学系统，本实验设计要求在绘制相差曲线时至少要计算边缘光、带光和近轴光三条光线。因此在设置视场时至少要设置三条光线。注意三个设计各自对应的视场角。图4选定System下拉菜单中Field选项，弹出如图5的界面，在此可设定该系统通过的光的波长。本实验望远镜系统在可见光范围内，因此选择（F，d，C）波长。在

11、此可直接选择常用波段图54）优化系统选定tools->Optimization-> Optimization,弹出如图6界面，可按照编写好的评价函数和系统结构函数的变量进行优化。图65）实验中所需要绘制的图形和有关像质的评价均在Analysis菜单中可实现。5 设计报告5.1 实验报告内容要求每一项设计应按顺序包含下列数据：l 该设计的设计要求（焦距、入瞳直径、视场角、放大倍率、相对孔径等），需计算的写出计算过程l 透镜Layout图l 每一设计结果透镜的结构参数、视场、孔径等光学特性参数；(可选提交办法：用菜单：Reports->Prescription data->setting->不选surface detail、multi-config data、solves/variables、global vertex、element volume，保存为txt文本文件，编辑删除不必要的文字后，复制即可。)l 像质指标图，包括光线像差(Ray aberration)、球差(Longitudinal aberration)、场曲和畸变(Field curv/dist)、点