基于烟雾传感器MO2烟雾浓度检测

1、实 习 报 告 实习名称： 工程光学课程设计 院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 测控121 学生姓名： 蔡席 学 号： 20120458 指导教师： 李静 李艳苹 黑龙江工程学院教务处制2014 年 12 月实习名称工程光学课程设计实习时间2014年 12 月 22 日至 2014 年 12 月 31 日 共 2 周实习单位或实习地点实验楼528实习单位评语：（分散实习填）签字： 公章： 年 月 日指导教师评语： 成 绩指导教师签字：年 月 日工 程 光 学 课 程 设 计 任 务 书组内学生姓名蔡席 人数1院系电气与信息工程学院专业测控技术与仪器班级、学号测控12-12012045

2、8指导教师姓名李静李艳苹职称讲师讲师从事专业测控技术与仪器题目名称双筒棱镜望远镜设计一、实习的目的、意义此实习的目的在于组织同学在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索，了解和掌握基本的科学研究方法和手段，实习用光学设计软件ZEMAX设计双筒棱镜望远镜。 在此过程中，同学需要了解和掌握ZEMAX的使用方法，初步掌握简单的、典型的、与新型系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、相差曲线绘制、相差优化，光学零件技术要求等。二、实习的主要内容、技术要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）内容：用ZEMAX设计双筒棱镜望远镜要求：

3、 1、学习ZEMAX软件 2、望远镜的放大率6倍； 3、物镜的相对孔径D/f1：4（D为入瞳直径，D30mm）； 4、望远镜的视场角28°； 5、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕； 6、镜最后一面到分划板的距离14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2 5mm； 7、lz=810mm； 8、对所设计的光学系统进行zemax软件仿真工作；三、实习完成后应提交的成果1、实习报告；2、zemax软件仿真图；四、实习的工作进度安排1、实习动员，布置设计内容；（0.5天）2、查找资料，做好准备工作；（0.5天）3、方案的选择和比较；（1天）4、初始数据的计算；（2天）5、望

4、远镜物镜和目镜的设计；（2天）6、将初始数据输入软件仿真；（2天）7、整理资料完成设计报告的编写；（1天）8、课程设计答辩及成绩评定；（1天）五、主要参考资料1、郁道银 谈恒英，工程光学，机械工业出版社，2007。2、刘钧高明，光学设计，国防工业出版社，2012。毛文炜，光学镜头的优化设计，清华 大学出版社，2009。3、黄一帆 李林, 光学设计教程，北京理工大学出版社2009。4、Joseph M. Geary， Introduction to lens design with ZEMAX，Willmann-Bell出版社，2002-08。 5、Smith ，Modern Lens Desi

5、gn - A resources manual， McGraw-Hill Professional; July 1, 1992。六、备注指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日第1章 ZEMAX软件学习1.1 ZEMAX软件简介 1.简介 ZEMAX Optical Design Program（ZEMAX）是由美国ZeMaX Development Corporation公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是2007。ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。 2.用户界面 ZEMAX的视窗类型，和

6、Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：u 主视窗 （Main Window）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。主视窗顶端有标题栏（title bar）、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar）。u 编辑视窗（Editor Window）ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于

7、补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。图1.1用户界面u 图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Ray fans）、调制传递函数（MTF Plots）图等。u 文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data）、像差数据等显示在文本视窗中。u 对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。用于定义或 更新视场（Fields）、波长（Wavelengths

8、）、孔径（Apertures）、面型 （Surface types）等。1.2 光学系统建立 如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。也将会使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能。1.设罝系统孔径 首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的GEN按钮里（System->General）。点击GEN或透过菜单的 System->General 来开启 Gen

9、eral 的对话框。如下图所示 图1.2 General 的对话框2.设罝视场角 点击按钮列中的Fie或透过菜单的 System->Filed 来开启场对话框，如下图所示。图1.3 Filed 的对话框ZEMAX 默认的视场角是即为近轴视场角，其中Weight这个选项可以用来设罝视场角之权值，并可运用于优化。 3.设罝波长 可点击按钮列中的Wav来设罝波长，在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其 Weight，ZEMAX 也有内建一些常使用波长，可透过Select->这个选项来选择如下图所示：图1.4 波长编辑视窗4.键入透镜资料 现在我们要键入 Lens 的参数。在 ZEMA

10、X 是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。 The object surface（OBJ）：设罝光线的起始点 。l The front surface of the lens(STO)：光线进入 Lens 的位置。在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(Stop)的位置 。l The back surface of the lens(2)：光线从 Lens 出来并进入空气中的位置。 l The image surface(IMA)：光线追迹后停止的位置，不可以在 IMA 这个之后设罝任何的表面。这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。如下图所示：图1.5 透镜资料对话框5.评估系统性能

11、 在ZEMAX 中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个常用的分析工具是光线扇形图(Ray fan plot)。可以点击Ray这个按钮或透过菜单 Analysis->Fans->Ray Aberration 来开启这个功能。 在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线(Chief Ray)的光线象差(Ray aberrations)，左边的图是显示 Y 或正切方向的光线象差，右边的图是显示 X 或弧矢方向的光线象差。如下图所示：图1.6 光线象差对话框6.设罝优化 （1）设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。 l （2）在数学

12、上的观点上，需要设罝优化函数(Merit function)的描述，意即评估系统优劣的指标。 接着修正绩效函数(Merit function)，包括系统焦距的需求。将游标移在 MFE 的第一列并单击按键盘的 Insert 来产生新的一列，在此列的 Type 栏上键入 EFFL 后按 Enter。这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(Primary Wavelength)，在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的Wav#栏中键入为 2。接着在Target栏里键入 100 并按 Enter，Weight设为 1 再按 Enter，后将此视窗关闭，虽然

13、关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。如下图所示:图1.7 Merit function对话框7.运行优化 点击Opt或 Tools->Optimization，便会出现 Optimization 的视窗。在优化的对话视窗里，如果Auto Update选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如 Ray fans plot 以及 LDE 的数据将及时变动。在此请点击Automatic这个按钮来进行优化。如下图所示： 图1.8 优化的对话视窗8.图解报告第2章 软件设计2.1通过“未加入棱镜”的望远镜系统计算出主要的参数 原理图如下图所示Df 0-fe物镜（入瞳） 分划板目镜（视场光

14、阑）出瞳w wDhz分hz目lzO1O2AO3BO4图2.1 望远镜设计原理图 1. 计算物镜焦距与目镜焦距 由设计要求知：入瞳直径及D/=1/4，可得： 物镜焦距 又视觉放大率6倍：所以目镜焦距。 2. 计算出瞳直径D物 3. 计算视场光阑通光口径 在Rt 三角形 O1O2A 中（见原理图），由几何关系得： 所以视场光阑通光口径 4. 目镜通关口径 在三角形O3O1B中，由几何关系得到： mm 故 5.像方视场角 由 得： 既 6.入瞳距 由于入瞳位置与物镜重合，所以 7.出瞳距 在三角形O3O4B中，由几何关系得： 8. 系统总长度 2.2 通过加入棱镜后的望远镜系统得到剩余的结构参数 加

15、入棱镜后的望远镜系统的示意图如下所示：ddD棱镜c=2mmxDABOa =14 mmfoOO 图 2.2 望远镜系统图(加入棱镜后) 注： x表示物镜到第一块直角棱镜的距离； c表示两块直角棱镜间的距离； a表示最后一面到分划板的距离； d 表示直角棱镜的等效空气板厚度； D棱镜表示棱镜的通光口径. 由原理图中的几何关系，可以得到：于是 (由几何关系得到) 从而 像点轴向位移长度 1. 实际系统拉直后的总长度 2. 两棱镜中折转光路的长度 3. 实际系统总长度 2.3望远镜结构元件的选型 1.望远镜物镜的选型 望远镜物镜的常用类型包括：双胶合物镜、双分离物镜、双单（单双）物 镜、三分离物镜、摄

16、远物镜以及对称式物镜8 1。 根据系统设计要求以及计算结果，可以整理出物镜的光学特性参数为：通光口径D = 30 mm； 焦距 f0 = 120 mm； 视场 2 8°； 入瞳位置与目镜重合 lz = 0.从而我们可以得到相对孔径 可见相对孔径较小，视场2 8°也不大,并且对物镜系统的长度没有特殊的要求，对照光学仪器设计手册（上册）,最终决定选取结构满足要求的“双胶合物镜”，其示意图如下所示： 图2.3 双胶合物镜选取最接近设计要求的结构参数如下表所示：表1 双胶合物镜结构参数2.望远镜目镜的选型 常用目镜的类型包括：简单目镜（冉斯登、惠更斯目镜）、凯涅耳目镜、对称式目镜、

17、无畸变目镜以及广角目镜81。 根据系统设计要求以及计算结果，可以整理出目镜的光学特性参数为：目镜放大率 = 5 出瞳直径 D = 5 mm焦距 fe = 20 mm .视场 2w =45.522o； 出瞳距 lz= 23.31 mm.由于其视场2w 较大，并且2w =45.522o属于凯涅耳目镜视场取值范围450500内，对照光学仪器设计手册（上册），最终我们决定选取结构最符合设计要求的编号为2-08的凯涅耳目镜。其示意图如下所示：图2.4 凯涅耳目镜（编号208）其结构形式如下表所示： 表2 凯涅耳目镜(编号2-08) 3.棱镜的选型 选用普罗I 型转向棱镜系统的两个原因 1 由望远镜的放大

18、率公式 = - f0 / fe ，知当f0 和 fe 都为正值时，为负值。也就是说不加转向棱镜时，该望远镜系统成倒立的像，给观察和瞄准带来极大不变。普罗型棱镜具有转像的作用，所以选用它来把倒立的像“正”过来。2 普罗型棱镜具有折转光轴的作用，可以用来减小系统尺寸。 普罗型棱镜的展开1 系统结构 由两块二次反射直角棱镜组成，它们的主截面互相垂直。系统结构如下所示： 图2.4 普罗型棱镜2 普罗型棱镜的展开成等效玻璃板17 展开成等效玻璃板的合理性：构成普罗型棱镜的直角棱镜所起作用相当于平面镜，主要是折转光路和转像的作用，如果不考虑反射面的作用，光线在两折射面间的行为与一个平行平板等效。等效成玻璃

19、板后，可以大大简化实际光学系统的计算。D棱镜L棱镜 展开方法：在棱镜主截面内，按反射面的顺序，以反射面与主截面的交线为轴，依次按反射面顺序做镜像，便可得到棱镜的等效平行平板。展开图如下所示：图2.5 棱镜展开图3 玻璃板再等效成空气板 等效成空气板的合理性：玻璃板在近轴区内以细光束成像，不管物体位置如何，其像均可认为是由物体移动一个轴向位移而得到的，利用这个特点可以把平行平板简化为等效空气平板。 等效空气板的作用：将平行平板等效成空气板后，只需计算出无玻璃板时的像面位置，再沿轴向移动一个轴向位移17，就可得到有玻璃板时的实际像面的位置，避免了直接折转光路进行计算，给光学系统的外形尺寸的计算，带

20、来极大好处等效空气板厚度d = L棱镜 / n ;像点后移距离：实际像面位置普罗 I 型棱镜等效空气板的计算如下：l 1d dd L棱镜l 2AAl图2.6 等效空气板2.4光学设计软件对结构元件进行设计 1.物镜设计（1）设计思路望远物镜的光学特性主要是：相对孔径小、 视场角不大，因此望远物镜的结构型式通常比较简单，要校正的像差也比较少，一般主要校正轴向色差 LFC 球差L 和慧差KT 这三种像差。 对畸变yí、像散垂轴色差等则不予校正。 要设计的望远物镜的光学特性参数为： 通光口径D = 30 mm； 焦距 f0 = 120 mm； 视场 2 8°.自动优化思路：此类小

21、相对孔径、小视场角的光学系统，各透镜的中心厚度的少量变化对像差的影响较小，因此透镜厚度不作为自变量，而是根据加工和装调工艺由设计者指定。将三个曲率半径作为自变量，这样最多只能控制三种像差（其中有一种为焦距）.由于物镜要和目镜组合起来使用，因此允许有一定的球差、色差等. 我们这里控制球差Lm、慧差KTm、和光焦度。2优化步骤 1将光学特性参数和上述初始数据输入，将三个曲率和透镜间隔作为自变量。2在“自动优化参数”页，输入欲达到的焦距。控制三项像差：光焦度、球差、慧差。 3单击“自动优化”按钮，反复自动优化，得到最终结果。 3用ZEMAX软件优化物镜前后结果比较：优化前1 初始参数如下表所示物距半

22、视场角入瞳半径系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕理想面焦距理想面距离04153301-100表3 初始参数表透镜参数如下图所示图2.7 透镜参数2 高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 100.00021 95.05488 -99.74763 95.05488 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率() 0.00000 -5.19846 -6.99270 0.00000 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 30.00000 30.07594

23、-1.04890 0.150003 单个和胶合透镜结构及光学参数 透镜 1 R1=50.4100 R2=-43.5630 d=6.0000 n=1.516300 焦距:46.2674 后截距:44.3923 前截距:-44.0976 矢高 ：12.3345 2=2.7022 边缘厚 度： t=0.9633 透镜 2 R1=-43.5630 R2=-232.4700 d=2.0000 n=1.647496 焦距:-83.1401 后截距:-84.6402 前截距:82.8590 矢高：12.7022 2=0.4839 边缘厚度： t=4.2183、 胶合镜 R1=50.4100 R2=-43.5

24、630 R3=-232.4700 d1=6.0000 d2=2.0000 n1=1.516300 n2=1.647496 焦距:100.0002 后截距: 95.0549 前截 距:-99.7476 矢高： 12.3345 2=0.4839 边缘厚度： t=5.18164 象质分析 图2.8 点列图 图2.9 MTF曲线优化后：1 初始参数如下表所示物距半视场角入瞳半径系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕理想面焦距理想面距离04153301-100透镜参数如下图所示图2.10 透镜参数2 高斯参数有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l')120.00

25、003 115.69331 -118.61933 115.69331入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率( )0.00000 -5.70339 - 8.39122 0.00000入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U')30.00000 30.34917 -1.04890 0.125003 单个和胶合透镜结构及光学参数透镜 1 R1=74.1867 R2=-51.0565 d=6.5516 n=1.516300 焦距:59.6384 后截距:57.8451 前截距:-57.0326 矢高： 11.55492=

26、2.2655 边缘厚度： t=2.7313透镜2 R1=-51.0565 R2=-161.4646 d=2.1461 n=1.647496 焦距:-116.2039 后截 距:-118.1236 前截距:115.5969 矢高：12.2655 2=0.7026 边缘厚度： t=3.7090胶合镜 R1=74.1867 R2=-51.0565 R3=-161.4646 d1=6.5516 d2=2.1461 n1=1.516300 n2=1.647496 焦距:120.0000 后截距:115.6933 前截 距:-118.6193 矢高： 11.5549 2=0.7026 边缘厚度： t=6.

27、44034 象质分析 图2.11 点列图 图2.12 MTF曲线5 元件示意图2.13望远镜物镜示意图2 目镜设计 1设计思路：目镜的特点是焦距短、视场角大、相对孔径小且入瞳和出瞳都离透镜组有一定的距离，因此，目镜的轴外像差一般较大，必须校正。根据像差理论，目镜通常校正光焦度、像散、垂轴色差和慧差三种像差。这里设计目镜按反向光路方法20进行设计。已经计算出望远镜目镜的光学特性为 目镜放大率 = 5 出瞳直径 D = 5 mm焦距 fe = 20 mm .视场 2w =45.522o； 出瞳距 lz= 23.31 mm.2优化步骤 1 将光学特性参数和初始数据输入，将两个曲率和透镜间隔作为自变量

28、；2 在“自动优化参数”页，输入欲达到的焦距。控制像差：光焦度、垂轴色差、象散和慧差，目标值分别为0.05、0、0、0； 3 单击“自动优化”按钮，反复自动优化，得到结果。 3用ZEMAX软件优化目镜前后结果比较：优化前：1 初始参数物距物高孔径角正弦系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕理想面焦距理想面距离1040.386885301-100透镜参数如下图所示图2.14透镜参数如下图所示2 高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 18.62468 14.74492 -15.12691 0.93985 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz&#

29、39;) 近轴像高(y') 放大率() 0.00000 -8.18617 1.85306 0.74122 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 8.39101 10.33118 0.41743 0.225273 单个和胶合透镜结构及光学参数透镜 1 R1=-209.4000 R2=12.3750 d=1.0000 n=1.612600 焦距:-19.0410 后截 距:-19.0755 前截距:19.6255 矢高： 10.0426 2=0.6770 边缘厚度： t=1.7196 透镜 2 R1=12.3750 R2=-14.4210

30、d=2.0000 n=1.589100 焦距:11.6270 后截 距:10.9304 前截距:-11.0292 矢高： 10.6770 2=0.5561 边缘厚度： t=0.7669 透镜 3 R1=25.6640 R2=100000.0000 d=2.0000 n=1.516300 焦距:49.7200 后截 距:48.4006 前截距: -49.7203 矢高： 10.1068 2=0.0000 边缘厚 度： t=1.8932胶合镜 R1=-209.4000 R2=12.3750 R3=-14.4210 d1=1.0000 d2=2.0000 n1=1.612600 n2=1.58910

31、0 焦距:27.5144 后截距: 27.7316 前截 距:-25.4336 矢高： 10.04262=0.5561 边缘厚度：t=2.48654 像质分析图2.15 点列图图2.16 MTF曲线图优化后：1 初始参数物距物高孔径角正弦系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕理想面焦距理想面距离1040.386885301-100图2.17 透镜的参数2 高斯参数 有效焦距(f') 后截距(L') 前截距(L) 像距(l') 20.00001 15.18794 -17.66799 0.73079 入瞳距离(lz) 出瞳距离(lz') 近轴像高(y') 放大率() 0.00000 -7.45176 1.80714 0.72286 入瞳直径(D) 出瞳直径(D') 拉赫不变量(J) 像方孔径角(U') 8.39101 9.49849 0.37909 0.209783 单个和胶合透镜结构及光学参数透镜 1 R1=7.1021 R2=12.7632 d=1.0000 n=1.612600 焦距:24.4942 后截 距:23.1840 前截距:-25.2232 矢高：11.2254 2=0.5971 边缘厚 度： t=0.3717透镜 2 R1=12.7632 R2=6.2191 d=2.0000 n=1.589100 焦距