双分离物镜设计

湖南工程学院课程设计课程名称光电设计课题名称双分离物镜设计专业班级学号姓名指导教师刘建2010年06月6日一．光学概述光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。系统设计及其仿真我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的1学科。1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等二．ZMAX简介ZEMAX提供了十分强大的优化功能，他有能力去改善那些给出一个合理的起始点和一系列的镜头设计。参变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特殊数据，和一些多种结构的数值数据。ZEMAX使用了活动的阻尼最小二乘法，这个运算则能够优化有加了权重的目标组成的评价函数，这些目标被称为“操作数”。ZEMAX有一些不同的默认评价函数，在评价函数编辑界面中可以很容易的改变这些评价函数。优化需要三个步骤：1）一个可以进行光线追迹的合理光学系统；2）变量的设定；3）评价函数的设定。合理的光学系统是个比较模糊的概念，它仅仅意味着通过优化运算则将一个缺乏考虑的设计方案转化成一个特殊的方案是不可能的。变量和那些为了优化运算则能去的一些进展而至少有一个的因素。三．系统设计及其仿真1.基本参数设置按照系统设计所需要达到的参数要求，可以将双分离物镜的参数初步设计为：RadiusthicknessglassOBJinfinityinfinityStoinfinity0260.484.5BAK13-44.530.24-44.532F35-153.19100IMAinfinity2由于系统对像空间的要求为：F/﹟=4，所以我们将2号镜片的Radius上点击鼠标右键在弹出的对话框中将F值设为4。设置过程和设置后参数变化如下图所示2波长设置系统要求的波长为0.6328um。点击菜单栏下方的Wav，在下拉菜单中选择需要的波长后单击Select，即可获得所需的波长。操作后可得如下结果：33入瞳直径设置首先根据设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4。由公式：得物方孔径EPD约等于25。我们可以通过以下步骤实现此操作：单击菜单下方的Gen/Aperture/ApertureType:EntrancePupilDiameterApertureValue:25操作结果如下：4视场设定在菜单栏下方的Fie/Angle中，我们可以对系统视场进行设置，这样有利于我们更好的观察设计结果。在这里将视场设置为：（0，0）（0，3.5）（0，5）结果如下图所示：5优化前系统性能分析我们首先对未优化前的双分离物镜进行性能分析，从而寻找需要改进的部分。41二维图2Dlayout单击菜单栏下方的Lay可以得到以下图像：2波像图OPDFan单击菜单栏下方的OPD可以得到如下图像：3点列图SpotDiagram单击菜单栏下方的Spt可以得到如下图像：54Shadedmodel选中Analysis/Layout/Shadedmode,可以得到如下图像：5调制传递函数MIF单击菜单栏下方的Mtf可得以下波形：6四．系统性能优化经过对上图的分析可以发现，双分离物镜的性能并没有达到最优水准。此时，我们可以通过对某些参数的修改来进行系统优化。1．快速对焦quickfocus在Tools/Miscellaneous中选中QuickFocus。可以发现，系统的参数发生了变化。7目的：通过调整后截距对光学系统快速调焦。本功能调整像平面前面的厚度。厚度是依照RMS像差最小化的原则选择的。最佳调焦位置与标准的选择有关。RMS用定义的视场，波长和权因子计算整个视场的多色光的平均值。2．设置可变参数评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。ZEMAX使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束和目标。操作数代表的目标如像质，焦距，放大率等等。这些评价函数与列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权和的平方根成比例。在需要设置可变参数的数值上点击右键，从下拉框中选取Variable。可以得到这样的结果：然后选中Editors/Meritfunction8Tools/defaultmeritfunction进行参数设定：设置后如下：然后点击菜单栏下方的Opt，可以对系统进行优化得出结果：93．优化后波形1二维图2Dlayout从图中可以看出，总长度为36.61988毫米。镜头完成对焦，调整像平面前面的厚度。厚度是依照RMS像差最小化的原则选择的。有多种不同的RMS计算方法。最佳调焦位置与标准的选择有关。RMS用定义的视场，波长和权因子计算整个视场的多色光的平均值。2调制传递函数MIF103点列图SpotDiagramRMS点尺寸是径向尺寸的均方根。先把每条光线和参考点之间的距离的平方，求出所有光线的平均值，然后取平方根。点列图的RMS尺寸取决于每一根光线，因而它11给出光线扩散的粗略概念。GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。艾利圆环的半径是1.22乘以主波长乘以系统的F#，它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。对于均匀照射的环形入瞳，这是艾利圆环的第一个暗环的半径。4波像图OPDFan用光瞳坐标函数表示的光程差。垂轴刻度在图形的下端给出。绘图的数据是光程差，它是光线的光程和主光线的光程的差，通常，计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。若显示所有波长，那么图形以主波长的参考球面和主光线为参照基准的。若选择单色光那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。由于这个原因，在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数据通常被改变。5Shadedmodel12五．心得体会为期两个星期的课程设计很快就要画上完满的句号了，在这里有太多的感慨与感13动在这其中。记得刚拿到课题时，只感觉这课题似曾相识，因为光电技术是上学期才学的。刘老师开始帮我们“恢复记忆”，终于在老师耐心的讲解下我慢慢的想起来了。我的课题是双分离物镜设计。拿到一个课题的后第一步就是收集资料，我到图书馆借阅了不少相关的资料，如《工程光学》、《光学设计》等书籍，然后我又在网站上找了些相关的资料，通过自己的整理与分析，才开始动手设计。虽然这一次的课程设计时间比较匆忙，但还是在实习的过程中有了许多的收获。首先，这次设计使自己的课本知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深自己对课本理解，同时设计也锻炼了分析理解能力。其次，重温了ZEMAX软件操作，达到学以致用。在设计中遇到了一些问题的时候，才发现自己学习的薄弱环节所在。这也是这次设计的收获。对双分离物镜的设计给了我运用书本知识解决实际问题的机会。对ZEMAX软件的使用也是一个学习的过程，我们必须在二周的时间内学会软件的应用。由于软件是英文，所以在短时间熟练使用软件有些困难，不过经过一番努力，最终还是取得了成功。经过两个星期的课程设计，确实让我收获很多，学到了很多，虽然在设计过程中很累，但是一看到自己做出来的成果，就什么疲劳都没有了，还有最重要的一点就是大家的合作精神，真是一笔宝贵的财富。在这里要衷心谢谢老师的指导还有一些同学的热心讲解。六．参考文献《工程光学》郁道银编著机械工业出版社《光学设计》刘钧高明编著西安电子科技大学出版社。《几何光学像差光学设计》李晓彤浙江大学出版社