对称式目镜 光学设计重点讲义

1、工程光学课程设计报告题目F30mm对称式目镜设计班 级： 作 者： 学 号： 成 绩： 指导教师： 完成日期： 目录摘要1第一章 绪论21.1 目镜21.2 目镜设计原则31.3 目镜设计要求4第二章 对称式目镜设计52.1 确定初始结构52.2 焦距缩放62.3 优化前结构与图像分析72.3.1透镜输出 72.3.2像质评价报告7第三章 对称式目镜优化103.1 曲率半径优化103.2 Thickness优化113.3优化后分析总结13第四章 心得体会14第五章 参考文献15I 南通大学课程设计论文摘要随着科学技术的发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。光学仪器的核心部分是光学系统，光学

2、系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏，一个高质量的的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成。因此说，光学设计是实现各种光学仪器的基础。光学系统设计指的是根据仪器所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和光组的结构等。本次课程设计将已有的目镜的结构形式作为初始结构，主要任务集中在用电子计算机，按优化理论和统计理论对光学系统进行像差校正，得到理想的对称式目镜。关键词：光学设计 像差校正 对称式目镜第一章 绪论1.1 目镜目镜，用来观察前方光学系统所成图像的目视光学器件，是望远镜、显微镜等目视光学仪器的组成部分。为消像差，目镜通常由若干个透镜组合而

3、成，具有较大的视场和视角放大率。在望远镜和显微镜中，目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯尔纳目镜、对称式目镜等。惠更斯目镜结构与原理：惠更斯目镜是由两片未经过色差校正的凸透镜组成；靠近眼睛的一片称为目透镜，起放大作用；另一片称为场透镜，它的作用使映像亮度均匀。在两块透镜之间的目透镜焦平面放一光栏，把显微刻度尺放在此光栏上，从目镜中观察到叠加在物象上的刻度。如图1.1所示，这就是所谓的惠更斯目镜。图1.1 惠更斯目镜结构冉斯登目镜结构与原理：冉斯登目镜，由两个焦距相等的平凸透镜组成，两个凸面相对，两者的间距d等于焦距的23。冉斯登目镜的球差、轴向色差和畸变等均小于惠更斯目镜，但垂轴色差较大

4、。若用消色差胶合透镜代替接目镜（称为凯尔纳目镜），则可校正垂轴色差。冉斯登目镜可当普通放大镜使用。如图1.2所示，这就是所谓的冉斯登目镜。图1.2 冉斯登目镜结构凯尔纳目镜结构与原理：凯尔纳目镜，以字母K表示，是冉斯登目镜的改进型，消除了冉斯登目镜的色差，这种目镜，视场大，常用在低倍率观测上，如彗星或大面积的天体。如图1.3所示，这就是所谓的凯尔纳目镜。图1.3 凯尔纳目镜结构对称式目镜结构与原理：由两个双胶合透镜组成，是目前应用很广的一种中等视场目镜。对称式目镜的特点是垂轴色差和轴向色差都能得到很好的矫正，出瞳距离较大，视场大约为40°。并且与其他目镜相比较，对称式目镜具有较小的场

5、曲，是中等视场的目镜中像质较好的一种，出瞳距离也比较大，有利于缩小整个仪器的体积和重量，因此在一些中等倍率和出瞳距离要求较大的望远系统中使用的很多。如图1.4所示，这就是所谓的对称式目镜。图1-4对称式目镜1.2 目镜设计原则在设计目镜时，通常按反向光路计算像差，即假定物平面位于无限远，目镜对无限远目标成像，在目标的焦面上衡量系统的像差。至于目镜的光瞳位置，可以按两种方式给出。第一种方式是把实际系统的出瞳作为反向光路时目镜的入瞳，给出入瞳距离p，入瞳直径D等于系统要求的出瞳直径。在目镜像差校正的过程中，要求保证边缘视场的主光线通过正向光路时物镜的出瞳中心（即正向光路目镜的入瞳中心）。其他视场的

6、主光线，由于存在光阑球差并不通过同一点，这样计算出来的像差和实际成像光束的像差虽完全不同，但一般较小，可以忽略。第二种方式是如果像差计算程序能够在给出实际光阑后自动求出入瞳位置，并用调整主光线位置的方法，保证不同视场的主光线通过实际光阑的中心。这样可以把正向光路时物镜的出瞳作为实际光阑给出，计算出来的像差和实际成像光是的情况符合。出瞳直径 :就是影像通过望远镜在目镜后形成的光斑大小出瞳距离 :是指能看清整个视场时眼睛离目镜的最远距离。1.3 ZEMAX软件简介ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软

7、件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大

8、，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及

9、漫射光的设计应用方面。1.4 设计要求本次课程设计要求如下： （1）对称式目镜； （2）出瞳直径4mm； （3）出瞳距离8mm； (4) 视场角为+20度； (5) 焦距E.F.L为30mm； (6) 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)； (7) 畸变小于10%； (8) MTF值在20lp/mm处大于0.30； 第二章 对称式目镜设计2.1 确定初始结构光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方法：即代数法（解析法）和缩放法。代数法是根据初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称为PW 法；而缩放法是根据已有光学技术资料和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近

10、的结构作为初始结构的方法，这是一种比较实用而又容易获得成功的方法。本次课程设计采用后一种方法，所选定的初始结构及各参数查自光学镜头手册。在手册中根据设计要求，遵循小焦距大视场的原则，选择尽可能接近的资料作为初始结构，根据各种类型目镜基本光学特性之间的关系，进行像差校正。所选定的初始结构及各参数查自光学设计手册，初始参数如表2.1所示：面数r/mmd/mm材料Object1179.892.25F3228.939.00K93-28.931.35428.939.00K95 -28.932.25F36-179.89Image1） 打开ZMAX软件，添加surface个数，将上表中r，d值分别输入rad

11、ius和thickness列，所选玻璃输入至glass列。2） 点击Gen（general），先将入瞳直径设为4，在之后的优化过程中再进行调试和变更。3） 点击F i l (field data)，选择Angel,设定y.视场分别为0、7.07、10。4） 点击W a v(wavelength)，单击波长对话框底部的“选择（Select->F,D,C(Visible)）”按钮。5） 点击EditorsMerit FunctionTools，加入EFFL项，选择第2波长，设定Target为30,Weight值为1。得到系统平面剖面图，如图2.1：图2.1初始数据lay模拟图2.2 焦距缩放

12、设初始结构焦距为f ，缩放后结构焦距为f *计算公式为： （2-1）其中：r i、r i*分别为初始和缩放后结构的曲率半径： （2-2)其中：d i、d i*分别为初始和缩放后结构的透镜厚度和间隔。因为f =29.84, 得到f *f =1.00536，将初始结构参数带入公式，得到缩放后的r i*和d 如下表2.2：面数r/mmd/mm材料Object4.021180.852.26F3229.099.05K93-29.091.36429.099.05K95 -29.092.26F36-180.8513.56Image表2-2中所示即为符合本次课设要求的目镜初始数据，将此数据作为本次课设后续说明

13、中像差校正和光学系统优化的基本数据。按照上述过程在ZEMAX软件中输入计算后的数据，至此，数据输入工作基本完成，出现了如下的镜头数据编辑窗口，如表2.3：2.3 优化前结构与图像分析2.3.1透镜输出 点击工具栏中Lay图标，出现优化前物镜系统平面剖面组，如图2-2：图2.2 缩放后lay模拟图像图像分析结果：如图显示，缩放后结构基本满足设计结构要求，没有出现设计结构的变形和不合理现象。2.3.2 像质评价报告1） 点击工具栏中Ray图标，出现ray fan曲线图，如图2.3：图2.3 初始数据子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线图像分析：在ZEMAX中有一个重要的分析手段，就是显示ray fan图

14、。ray fan表示是光学系统的综合误差。它的横坐标是光学系统的入瞳标量， 纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。2）点击工具栏中FCD图标，出现轴外细光束像差曲线，如图2.4：图2.4初始数据轴外细光束像差曲线左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，横坐标左图是场曲，右图是畸变的百分比值。由图可知，初始数据所示的光学系统像质不够好，有待进一步的优化。3） 光学传递函数（MTF）分析，单击工具栏中的MTF图标，出现光学系统的调制传递函数图，如图2.5： 图2.5初始数据MTF曲线图图像分析：所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学

15、系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。从理论上可以证明，像点的中心点亮度值等于MTF曲线所围成的面积，曲线所围成的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统的成像质量越好，图像越清晰。因此在光学系统的接收器截止频率范围内，利用MTF曲线所围成的面积的大小来评价光学系统的成像质量是非常有效的。如图所示明显可知，MTF曲线所围成的面积过小，且MTF值在20 lp/mm时过小，光学系统的成像质量不高，所以需要对其进行优化。4） 点击工具栏中SPT图标，出现

16、spot diagram曲线图，如图2.6：图2.6初始数据点列图图像分析：在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。对于点列图图像而言，点阵集中程度越高，弥散半径越小，成像质量也就越高。就初始数据点列图图像而言，点阵分散，

17、成像质量不高。11 第三章 对称式目镜优化3.1 曲率半径优化一般来说，透镜组的全部结构参数都可以作为优化变参量与优化，首先，通过优化曲率半径的途径来提高像质，对优化结果进行像质评价。采用ZEMAX自动优化的方法：首先右击第二个面的Radius，选中Variable，点击Opt按钮，选中其中的Automatic，对第一组曲率半径进行自动优化，观察优化结构，与初始数据像差分析图进行比较，如果，光学系统得到优化，则将该组曲率半径固定，如果结果不尽如人意，则将保留原始数据。按照如此的思路，对本光学系统中出现的曲率半径依次进行优化，最终得到曲率半径优化完成的参数，并对图像进行分析。得到的光学系统分析图

18、如下：6图3.1 曲率半径优化后MTF曲线图图3.2 曲率半径优化后轴外细光束像差曲线 图3.3 曲率半径优化后子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线 图3.4曲率半径优化后点列图由上述像差分析图可知，经过曲率半径优化，像差减小，光学系统得到完善，保留优化后的结构参数，如表3.1所示：为进一步改善光学系统，接下来进行Thickness优化。3.2 Thickness优化具体优化过程不变，加入人为优化的过程，优化后得到的图像如下： 图3.5 Thickness优化后MTF曲线图 图3.6 Thickness优化后轴外细光束像差曲线 图3.7 Thickness优化后子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线图3.8

19、 Thickness优化后点列图 经分析比较，光学系统得到完善，符合设计要求，保留优化后的结构参数，如表3.2所示：由图分析得，像差没有得到有效改善，未达到课程设计的要求，于是接下来进行对Conic的优化。3.3 Conic优化具体优化过程如上，加入人为优化的过程，优化后得到的图像如下：图3.9 Conic优化后MTF曲线图图3.10 Conic优化后轴外细光束像差曲线 图3.11 Conic优化后子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线图3.12 Conic优化后点列图3.4优化后分析总结经过对优化后图像的分析可知，光学系统的像差得到了一定的校正，优化后的结果明显优于优化前的结果，并且符合课程设计要求

20、。优化后的对称式目镜的参数如表3.2所示：第四章 心得体会这学期有幸参加了光学设计课程的学习，通过学习体会到这门学科把基本的几何光学理论与复杂的光学器件相互结合，并且灵巧的运用了比较专业的光学设计软件ZEMAX，系统地论述了“光学设计”课程的基本理论及设计方法，重点介绍了具有普遍意义的典型光学系统的有关设计内容，以阐明光学设计中带有共性的问题。既检验了我们对光学基本概念、基本定律、基本计算的掌握程度，又考验了我们开阔的思维及动手能力，是具有比较实际意义的一门课程，这门课程结构清晰，前一部分注重几何光学像差理论的基础知识，后一部分着重介绍光学设计，下面是我结合个人情况对这门课程的心得体会以及对老

21、师在这门课教学方式和课程重点知识方面的一些建议：课程在前一部分主要介绍了几何光学的基本概念基本定律、球面和平面系统、理想的光学系统、光学系统中光束限制及光能，可见重点偏重于几何光学的基本知识，为以后的光学设计打基础与光的电磁性质关系不是很密切，这些基础中的基础是对整个复杂的光学系统起到至关重要的作用。中部主要关于像差理论做了详细的讲解，像差并非相差，主要介绍了球差、轴外像差、波像差以及基本光线的光路计算。这个部分更加实际一些，在基本理论上与实际现象相联系依据基本计算给予普遍像差关系强有力的证明解释，也为以后的光学系统设计作为铺垫，因为一些典型的光学系统都将围绕着光路的传播途径以及像差色差的计算

22、展开，在老师的教学中，更加清晰透彻的了解到光学系统之间的关系。当我们在理论上做好充分准备之后，就将付诸实践去体会我们之前所学习了解到的知识如何在实际光学器件起到的作用，甚至是如何更具实际情况设计出一套自己所需要的光学系统。这门课程首先先介绍了一些比较典型的光学系统，从我们密不可分的眼睛成像系统再到我们日常所用的显微镜、望远镜、摄影光学系统等等，我们可以更加系统并且更加带有比较专业水平的眼光去分析这些系统的结构组成及其成像原理，学习好这些基本传统的光学系统会为我们以后设计更加复杂的系统提供强有力的帮助。课程末，我们的学习也进入了比较痛苦的阶段，毕竟我们还是对高端光学系统和复杂的光学结构了解研究甚

23、少，并且缺乏一些专业性的数学处理手段，只能在理论上去了解已经成型的的复杂光学系统的工作原理，在数值计算上并不是十分占优势。那些特殊的光学系统及表面结构要求我们熟练掌傅里叶变换、激光理论、旋转理论等数学处理方法、并且学要一些专业性的光学设计软件，其实市场上关于光学设计的软件种类繁多，老师在上课的时候给我们介绍了ZEMAX的相关界面及其设计光学系统时候的相关操作。ZEMAX是一套综合性的光学设计 仿真 软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差 以及报表 整合在一起。 ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点， 与其

24、它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可 仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统， ZEMAX 目前有： SE 及 EE 两种版本。ZEMAX可应用的领域及范围：传统相机镜头 、数 位 相机镜头，观景窗 等镜头设计。像我一样，很多同学也遇上了相同的麻烦，感觉光学设计这个东西很难，特别不好上手！主要原因在于光学设计这个软件功能过于强大专业、资料繁多，当然也是这款软件于众不同之处。可是，如果我们想了脚学习一下，就不知道干从什么地方下手。这个时候，我建

25、议大家可以根据一些小的例子，一步一步的进行，比如先了解整个软件的界面和功能，然后知道如何添加原件，以及设定原件的各种参数，慢慢的加入光线等等，最后形成一个整套的系统，然后在根据使用手册或者经验寿命进行调整和优化。其次，要有想法，这个解释很简单。我想，我们真正进行光学设计的时候，都是希望我们的产品可以用在一个具体的环境中，发挥具体作用。那么，我们必须对和设计有关的东西很熟悉。尺寸，大小，光束的特点，实际加工的限制，对成像质量的要求等等，这些其实都要在设计之前心里面有个数，不能盲目下手，这样比较流畅的设计也会节省时间和精力。第三，软件只是更加专业的工具，不能代替人的思想，不要什么都盲目的依靠软件，

26、否则会带来很糟糕的设计结果。设计之前，除了要做好之前所说的，还要对一些具体的问题进行计算，如醉简单的，对光路的重要之处进行高斯光学计算，或者加入实际问题的考虑等等。这样，当你用软件进行设计检验时，你就不会至于被动，而是比较良好的运用。知道哪个量应该变成什么样。要做到胸有成竹方能设计出自己心仪的光学系统。第四，软件找一个自己用着习惯，比较熟悉的的就行。光学设计软件，说起来也不少，并且每一个都不是简单的货色。不过，只要将一种软件使用得得心应手即可，另外，软件的功能强大，我们再设计中要依据实际情况与你想要设计的系统而定，不需要学会所有的，只要自己所学的够用，帮得上忙就行。第五，我们目前的基础知识以及掌握的数学技巧并不够专业，我们必须多多交流，与很多在这方面有建树的高人和光学设计人员虚心学习，努力创新，多加练习，熟能生巧，业精于勤。以上是我对这门课程的学习过程以及对ZEMAX这款软件使用过程的心得体会与一点见解，希望老师看完后给与答复，以及在以后的学习和系统设计中给予专业性的批评和指导。下面是我对着门课程的一点建议，希望老师能够给予批评：通过