光学课程设计缩放法设计对称式目镜资料

1、燕山大学课程设计说明书燕山大学光学设计课程设计说明书设计题目： 缩放法设计对称式目镜学 院：电气工程学院年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：王志斌教师职称：副教授燕山大学课程设计任务书基层教学单位：自动化仪表系指导教师：王志斌学号学生姓名（专业）班级设计题目采用缩放法设计对称式目镜。设 计 技 术 参 数技术要求为视场42°焦距30mm出瞳直径3mm出瞳距离6mm设 计 要 求设计各个参数；上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满 足像差要求参 考 资 料1、刘钧，高明编著，光学设计，2006,西安电子科技大学出 版社，西安2、光学仪器设计手册，1971,国防科技出版社，北京3、

2、光学设计软件ZEMAX周次1-34-5应 完 成 内 容计算设计处望远物镜的各个参数上机进行优化设计，确定最后的设 计结构指导教师签字基层教学单 位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。2013年7月6 日目录第一章引言 4第二章设计原理 52.1 对称式目镜 52.2 缩放法 6第三章设计过程及上机软件优化分析 7第四章心得体会 23参考文献 23第30页共24页第一章引言目镜是目视光学系统的重要组成部分。被视察的物体通过望远镜和显微物镜成像在 目镜的物方焦平面处，经目镜系统放大后将其成像在无穷远处，供人眼观察。从目镜的光学特性来讲，具有以下特点：(1)焦距短。一

3、般目镜的焦距在 15mm-30mm左右，和一般望远镜比起来，焦距短 是它的一个特点。(2)相对孔径比较小。由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔， 人眼瞳孔的直径 一般在2mm-4mm左右变化，因此大多数实验室仪器出瞳直径一般在 2mm左右，目镜焦 距常用的范围为15mm-30mm,故目镜的相对孔径一般小于 1/5.(3)视场角大。通常在 40°左右，广角目镜的视场在 60°左右。(4)入瞳和出瞳远离透镜组目镜设计原则：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。

4、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。本设计采用第一种方法。在望远镜和显微

5、镜中，目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、 对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜。对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场的目镜，本设计采用缩放法设计对称式 目镜。第二章设计原理2.1对称式目镜对称式目镜的结构如图 1所示。它由两个双胶合透镜组合而成，虽然目镜组的总厚度比较大，我们仍可以把它看作 是一个薄透镜组来近似的分析像差的性质。由薄透镜系统的消色差条件知道，如果这两 个胶合透镜分别消色差，则整个透镜组同时消除了轴向色差和垂轴色差。根据薄透镜组 单色像差的性质，一个薄透镜可以校正两种象差，因此是能够校正目镜中需要矫正的象 差和慧差的。大多数对称式目镜采取两个透镜组完全相同，这样比

6、较方便。对称式目镜的特点是垂轴色差和轴向色差都能校正的较好，象散和慧差也可以达到 . C很好的校正，出瞳距离较大，可以达到 lz/f电3/4,视场大约为40 。对称式目镜还有另一个优点，即场曲比较小。对于两个分离薄透镜组构成的光学系统，它的总光焦度为：二 -d1212中 中二二上 0.7( 12) = 0.7( d 1 2)两者之比为：71d i 2=0.7(1 +)由以上公式可以看到，当中1,中2均为正时，两透镜之间的间隔 d随之增加，则场曲随之增大。当 中1,邛2 一个为正另一个为负时，则 d增加，场曲减小，因此为了减 小一个光学系统的场曲，应该使系统中正透镜尽量密接， 而负透镜则和正透镜

7、尽量远离。 在对称式目镜中，两个正透镜密接在中间，两个负透镜在两侧，因此场曲比较小。凯涅耳目镜，冉斯登目镜，惠更斯目镜也全部是由正透镜组成的，两个正透镜之间有较大的间隔，因此场曲比较大，它们对应的n /5值如下列所示：对称式目镜 :/；=0.6凯涅耳目镜0.8冉斯登目镜1.0惠更斯目镜1.3对称式目镜是中等视场的目镜中像质比较好的的一种，出瞳距离也较大，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。2.2缩放法缩放法步骤：1 .物镜选型2 .缩放焦距3 .更换玻璃(1)保持色差不变更换玻璃(2)更换玻璃校正色差4 .估算高级像差5 .检查边界条

8、件表1初始参数Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard74.651.5F37.2173053Standard24.597.5K98.2448484Standard-30.600.110.2521145Standard30.607.5K912.6869146Standard-24.591.5F312.8264087Standard-74.6518.5v13.409861IMAStandardInfinity-16.21

9、3538第三章设计过程及上机软件优化分析已知技术要求为视场 42°,焦距30mm,出瞳直径3mm,出瞳距离6mm。具体过程如下。从相关资料中得到一种与设计要求较为接近的目镜结构。如果所选的目镜参数越接 近所要设计的参数，则越容易校正和平衡像差，从而达到设计要求。将资料中的各项参 数输入到计算程序相应的选项中，见表 1。在工具栏里选择“生成焦距”项，车入所要设计的的目镜焦距30o,则系统自动将初始的结构进行缩放，缩放时所有的角量和相对量不变。得到的目镜二维图像如图3所示。图2目镜的二维图像本次设计的目镜属于对称式目镜，在一定的出瞳距离和视场角的要求下，系统的像差增大，重点和难点也在于校

10、正和平衡目镜的像差同时获得理想的传递函数MTF。像差平衡是一项通过反复修改结构参数以逐步逼近最佳效果的工作。计算机应用于光学设计后，先是取代了繁琐的光路计算，随后又用于像差的自动平衡。应用像差的自动平衡方法不仅大大加快了设计进程，而且显著提高了设计质量。最后需对设计结果进行评价，即认为像差已全面平衡和校正得到良好程度后，需对像质做全面评价，以确定设计结果是否达到要求。如果没有达到要求，则仍需做像差平衡工作；如果属于结构形式的局限 或初始参数不合理，则应另选结构型式或另定初始参数，并重复前面的工作。对于不同 的设计结果，应用不同的像质评价方法。本次设计在人工调整阶段利用像差变化图进行光学系统的像

11、差校正时，假定系统结构参数和像差之间符合线性关系(实际上，系统的结构参数和像差之间是非线性关系)。在这一阶段，同时参加校正的像差数和自变量数都不能太多，在每次校正中选择几种重要的，对像质影响较大的参数进行校正。在调整阶段，主要遵循以下原则：(1)入射角很大的一面弯向光缆， 以使主光线的的偏角尽量小， 从而减小轴外像差。(2)选择对像差变化敏感、 贡献量较大的曲面， 改变其曲率半径，以调整该曲面对 整个系统的影响。(3)像差不可能完全校正到完美无缺的理想程度，最后的像差应有的合理的匹配。这主要是指轴上点的像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致。轴上点或近轴点的像差与轴外点的像差不要有太大的区别，使

12、整个视场内的像质比较均匀，至少使0.7视场以内的像质比较均匀。为确保 0.7视场内有较好的成像质量，必要时宁愿放弃全视场的像质(让它有较大的像差)，因为0.7视场以外是成像区的非主要区，其像质可以适当降低。(4)连续改变每个结构参数以计算出相差变化量，从中可分析各结构参数对各种像差影响的大小和方向，最后决定改变那几个结构参数，变多少，向哪个方向变，再计算 出新的像差结果。多次重复前面的工作，直到整个系统达到设计要求为止。(5)利用透镜自身或透镜处于特殊位置时的像差性质。例如，处于光阑位置或与光阑位置相接近的透镜或透镜组，主要用于改变球差和慧差；远离光阑位置的透镜组，主要用于改变像散、畸变和倍率

13、色差。在像面或像面附近的场镜可矫正像面弯曲。初始结构的像差曲线为：TERHI二"EF;E F：RFFjl I F|口丁相口CEr匚.R3C-二二，二 ± EO0-OOOC1 . T'Ec'二.L匚F 口匚匚JI Id GEkEMS .二 i/,CCH I FTP IJF： AT Id l 1 CF 1口F T工匚门L FRTH PIFFEF：EI rc?E:THU TUI I =3 2D 1 LIIHKIMUri "'RLE： i 2C. 000 UflUES.，H Bn W我：O . = Ee-LB I；- - 2J-L .： UP：FA

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16、IAL FF：EDUEll?】工" t lK'LE二 FEE 11TLLIHETE：F：口 Q -I n E H S 二 IJ.uF-口 山 HJ.LL口.llJ='口1-1二一PC- j CHF'.ni SAT工U ULT巨MTPTHU JU I 二3 2011 HTH F?F： 口 JW3】 TO 口，口飙，占皿 CiJPRFKZE ： IllftQBLFHS."H.C'OI IPIGIJRATIOI F 1 OR 1从图中可以看出，在空间频率为40lp/mm时，轴外的光学传递函数MTF不理想,所以要对系统的结构参数进行调整，以提高系统的

17、传函值。Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard89.9333931.807101F37.1594223Standard29.6244099.035505K98.2647544Standard-36.8648600.12047312.3510705Standard36.8648609.035505K913.6290256Standard-29.6244091.807101F314.0688017Standard89.

18、933393-20v14.836225IMAStandardInfinity-18.937944调整后的结构参数如下:调整后的二维图像如下:J1 jXyl_-/.，'/ : ；" ''':-= -!s 一一二L-1-4- dfl-i i；i.,- - 1'-_11 1±. - / / / i / J ,11_:iLAYOUTTML> JLH =？ WilTCTAL. LEUGTH；HT，三口IIMLEUS roi IFTGLlF：F|-n二11旧li 1 OF 1调整后的像差曲线如下:TRFill?1 rEF.：'E F

19、：F| r FRII F LOTTHLi UH 二3 二口1IHR/.TI IUI ICRLE： i ipp.pW 3| . Her 口： 口小L日 H 一二IL.CCI IF:K?LIRRTTriri 1 OF iFIELD UU曰旧TLFEUILLIHETEF：；-FIELD rURURTURE ' DT2-T0P,TT0IITHLI TLH I 23 2011IIA. Tl IiJI I RTEL.D IS 9二 口。口 DEGREESi jft.'EL曰-®THW : 0 .0 .0./q LEHS.J I.rrn iPTGijRATIOir 1 。匚 iEw

20、h。一峪1C'.5tr&p«； p.ptp 'inCEJ：匚凶 DEt¥V>： J3g >in：.FTit 口工祀F：RI|THU 7W 33 MHiUHTD HF：E 加FIELD;1jEK啊联,CC2FH;口斗CED EfidUC-：EE.bSt.120.564jCFILE FRF ;HOUF：FFEF：EHCE ； fflIFF Ffl fLEH1.K匚卬庐工GL旧父工口” 1所1调整后的MTF曲线如图:U一口 WHI U 口OJQQHprii/CHPrillATTr- Hi It I IT匚THU JUM 23 2D11口曰TFt

21、 F|?F： £1. H8pI TO 0«(JU.ZijRF：RCE- IHHGELEIC.IH.口 口11匚工0JI=：RT3口I l J. 口匚 1由以上图可以看出，虽然轴上的传递函数有明显的改善，可是该系统的球差，慧差,像散，场曲及色差都明显增大。再次经过人工调整，得到的参数如下：Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard87.91.807101F37.1658633Standard32.19

22、.035505K98.2220764Standard-360.0912.3510705Standard36.9.035505K913.5449456Standard-32.11.807101F314.0208617Standard-87.920v14.668772IMAStandardInfinity-18.527682调整后的二维图像如下:11 .1 1_L /一LAYOUTTML> JLH L? ”11T口THL. LENGTH；M7 TOc-Ci llflILE1 匕.二 ILrn( lFTni_iF：FtTTni I 1 of 1口工二mF：TD二打+ rPEPr pi JT匚I

23、ELJU CLIF" 'RTURE: ' DII： TOF：TE'trTMU JLirr 3?二口 11 H工卜FJ!HELP 工二 H3 , C'PO 口EGF'EEEi.HELEM"匚，Q.归二 口 怎2£口，;" LEI C-Z.lt-.CrillF：TCUPATIC'< L 口匚 J由：hiAlft： LE-E产 HHGF-OT DIAGFAri"一吁氾 E： RlflTHUNUMZmi III (IT： HEE 通.FIELD:1j；价E RADI此：受GFli：*/，阳.TDl莅

24、；>£仁UEUG.-MX二乱E：的F ； ILVUFEFEF：F1 EE: ； LHIEf: F：Hi'口口”匚工PLF口丁工口“ L 口匚 1从上面的图形可以看出， 该系统的像差得到了较好的校正，相差之间达到了合理的匹配。MTF曲线如下:LL口 山HILLCI g "!_*口口.1SPRTTRL 匚££：口1三卜II I 匚；匚L三二 FEE I IILL.TI tTERfol rcHFriitHTic rrDF iitfTHU Jin 二?刈DATA 匚口匚；P . 4c；c-l TO O .3 .dSUEFACB : II1F4CBL

25、EN? .ZJ1/.ror jFi:cijF：flTioi r i of i虽然较上次调整 MTF曲线有所下降，考虑到要有较小的像差，二者结合可以得到 较好的像质。在保证技术指标及透镜和透镜结构工艺要求的前提下，对系统进行自动优化。优化 结果如下：Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiamesterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandardInfinity61.52Standard87.91.807101F37.1658633Standard32.19.035505K98.2220764Standard-360

26、.0912.3510705Standard36.9.035505K913.5449456Standard-32.11.807101F314.0208617Standard-87.919.275221v14.668772IMAStandardInfinity-18.304998优化后的二维图像如下:修改半口径得到较好的二维图像:THU TUir 23 SOILTOTAL L.EI ItTH ' M7 工 口二口 I U Ii_曰rs.zi I.CriirF；XGUF ATTrii i 】rii= 像差图像如下:口工二丁口ET二口LB二.二卜3rrii iFTGUPRTirii i ).

27、口f 1叱匕既DE三FTELD CURVnTURl ' nTtTORTTOHTHU JUl i 二K二口 11MFV.il IUII FIELD I： H 二，口口口 口内工时，I rw.它L.m 店 THS - 0 . q £ hI . E 2白白一 =FTiT DIHPF：HlMi 1W 23 第Uwhs 用e aFIELD:i二3FJE- FfiDIUS :55. ；l。 e.TPA113-172CEO F ftDTUS ：国，口U8户区叫，到式第LF SRF；:KECEFtFRIIE；:CHIEF FR：E：”.j. COHFTGURRTl：Ol'i 1 OF JMTF曲线如下:IS U.w DKT5尸口 EG【二 HL.EiO 阻t Q 山ELLnl-'.?50口O DD20.004C-00SFHT'IHL EFEQUEI 忙'I Bl CiCLFS PEF. HTULlHETeRF-OL rCHRuKHTrC HUE IITFTHU T UI PTR 匚匚 二U匕仁口C匚:1 hili-i|。三一口In3 口1:1。三.上.LEIJS.HI.C-CiHPI