对称式目镜 光学设计

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：I目录摘要...........................................................................................................................2第一章绪论.............................................................................................................31.1目镜..............................................................................................................31.2目镜设计原则..............................................................................................41.3目镜设计要求..............................................................................................5第二章对称式目镜设计.........................................................................................62.1确定初始结构..............................................................................................62.2焦距缩放......................................................................................................72.3优化前结构与图像分析..............................................................................82.3.1透镜输出..........................................................................................82.3.2像质评价报告......................................................................................8第三章对称式目镜优化.......................................................................................123.1曲率半径优化............................................................................................123.2Thickness优化............................................................................................143.3优化后分析总结.........................................................................................17第四章心得体会...................................................................................................18第五章参考文献...................................................................................................21南通大学课程设计论文2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南通大学课程设计论文3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2／3。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。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。南通大学课程设计论文4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。这样南通大学课程设计论文5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。1.3ZEMAX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，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；南通大学课程设计论文6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：1）打开ZMAX软件，添加surface个数，将上表中r，d值分别输入radius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Fil(fielddata)，选择Angel,设定y.视场分别为0、7.07、10。4）点击Wav(wavelength)，单击波长对话框底部的“选择（Select-F,D,C(Visible)）”按钮。5）点击EditorsMeritFunctionTools，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：面数r/mmd/mm材料Object1179.892.25F3228.939.00K93-28.931.35428.939.00K95-28.932.25F36-179.89Image南通大学课程设计论文7图2.1初始数据lay模拟图2.2焦距缩放设初始结构焦距为f’，缩放后结构焦距为f’*计算公式为：'**'iifrrf（2-1）其中：ri、ri*分别为初始和缩放后结构的曲率半径：'**'iifddf（2-2)其中：di、di*分别为初