双高斯物镜的设计

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》燕山大学课程设计说明书-1-目录一、介绍...............................................................................................................-2-二、用初级像差理论确定初始结构................................................................-3-三、用ZEMAX优化........................................................................................-9-四、结论..................................................................................错误!未定义书签。五、心得体会.....................................................................................................-30-参考文献.............................................................................................................-31-燕山大学课程设计说明书-2-一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。图1双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲ⅣS，利用薄透镜的弯曲可以校正球差ⅠS，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散ⅢS，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差ⅠC。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。这个半部系统回来了承受无限远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产生的球差及高级量越小。但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。为了平衡ⅢS，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产生的正像散平衡ⅢS。于此同时，轴外光线在前表面上的入射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。相反，若将光阑离开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，则轴外光线的入射状态就能大大的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平燕山大学课程设计说明书-3-衡ⅢS，薄透镜应该向前弯曲，以使球面与光阑同心。这样一来，球差及其高级量就要增加。以上分析表明：进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。解决这对矛盾的方法有三种：第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大。第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的半径加大。第三，在两个半部系统之间引入无焦度的校正板，使它只产生ⅤS和ⅢS，实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。二、用初级像差理论确定初始结构1、半部系统的规划半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件。，，101111huuz2、以厚透镜校正ⅣS考虑到对高级像散的平衡，取07.0ⅣS。按相对孔径需要选15.0d。玻璃可取BaF7和ZK8的组合。由式子bdnSnannSncccccc12212111ⅣⅣ可得549.5729.5766026.31184006.021ccba，，3、加无光焦度双薄透镜校正ⅠS取3.1ba（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。燕山大学课程设计说明书-4-（1）求cSuⅠ、2。52.17311719.212222322121uunduunSnrnuncⅠ（2）求个面曲率半径由式子11221nbbbcb，aaaaaa2211及式子241322111111aabcrrrr可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：4143.03721.32917.01745.04321rrrr4、求校正ⅢS的孔径光阑位置根据校正ⅢS的要求，有0cⅢⅢⅢⅢSSSSba令Alhzz11，则燕山大学课程设计说明书-5-ndAhhnuidinhAiiAizzcz222222221111111由以上各式可得0869.0zlA从上述计算可知，由于透镜cba、、合成后球差系数0ⅠS，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说A只有一个根。5、厚透镜中加入消位置色差系数ⅠC的胶合面为了使得引入胶合面后051ⅠC，所以取胶合面初级位置色差系数0221.041ⅠⅠCndnnndluniC由此可得0026.0ndnnnd而第一近轴光线在胶合面上的入射高度0610.121122udhul胶合面入射角9586.42241ndnnndnulCiⅠ为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式urrli的胶合面曲率半径3818.0r6、半部系统焦距确定半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式2121d知，当21时，220，则d。实际上系统间d不可能等于零，计算表明，当半部系统的焦距等于1，取合成以后的焦距大约等于0.8。现设计要求的合成焦距为58毫米。所以半部系统的焦距燕山大学课程设计说明书-6-5.728.02ff7、半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成首先将规化半部系统结构参数dr、乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜ba、加上必要厚度。半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成一个完全对称系统。其全部结构参数如下：表1双高斯物镜的结构参数8、象差计算已知物体在无限远L，则视场半角的正切3729.0tanfy主要技术指标结构mmDmmffD294025821面号r/mmd/mmn玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK8燕山大学课程设计说明书-7-式中y为底片对角线的一半。入射光瞳半径为h，已知相对孔径21fD，则有5.1442fDh按21,5.14,hL进行光路计算，求得象方孔径角2507.0ku总焦距8309.57f拉赫不变量4075.5tan11hnJ初级象差系数07479.0ⅠS09736.0ⅡS06245.0ⅢS01929.0ⅣS31357.0ⅤS004304.0ⅠC003771.0ⅡC初级象差009002.02594893.02121jSSCunSLkKkkkkⅡⅠ燕山大学课程设计说明书-8-015040.0068463.0153421.02194152.02582457.0231212111kkkFCkkkkFCkkkkzkkkkskkkkTkunCYunCLunSyunSKunSKⅡⅠⅣⅡⅡ燕山大学课程设计说明书-9-三、用ZEMAX优化1、建立新镜头，录入初始结构参数。(1)光源参数1）首先点击，出现以下窗口。如图可知入瞳直径设置为29mm。燕山大学课程设计说明书-10-2）点击，出现以下窗口，按图设置各项参数3）点击，出现以下窗口，选择F,D,C可见光波段。燕山大学课程设计说明书-11-(2)镜头数据为：图3初始镜头数据2、像质评价报告图(1)优化前RayFan如图4;OpdFan如图5;Spt如图6;Mtf如图7;Lay如图8;场曲和畸变如图9：燕山大学课程设计说明书-12-图4优化前Ray燕山大学课程设计说明书-13-图5优化前Opd燕山大学课程设计说明书-14-图6优化前Spt燕山大学课程设计说明书-15-图7优化前Mtf燕山大学课程设计说明书-16-图8优化前Lay场曲和畸变如图9：燕山大学课程设计说明书-17-图9场曲和畸变Fcd经分析，像质不够好，有待进一步优化。将透镜的曲率半径、厚度、玻璃类型作为优化变量，通过优化曲率半径、厚度、玻璃类型来提高像质。(2)优化过程第一次优化前的赛德尔系数燕山大学课程设计说明书-18-根据系数选择如下变量进行优化优化后得到的赛德尔系数为燕山大学课程设计说明书-19-根据上述方法进行第二、三、四次优化，优化变量和优化后赛德尔系数分别如下图所示第二次优化优化后燕山大学课程设计说明书-20-第三次优化第三次优化后燕山大学课程设计说明书-21-第四次优化第四次优化后燕山大学课程设计说明书-22-（3）优化后结果镜头数据如图10：RayFan如图11：OpdFan如图12：Spt如图13：Mtf如图14：Lay如图15：场曲和畸变如图16：燕山大学课程设计说明书-23-图10优化后镜头数据图11优化后Ray燕山大学课程设计说明书-24-图12优化后Opd燕山大学课程设计说明书-25-图13优化后Spt燕山大学课程设计说明书-26-图14优化后MTF燕山大学课程设计说明书-27-图15优化后Lay燕山大学课程设计说明书-28-图16场曲和畸变有上述结果图中发现如下变化：1、光程差随空间位移的变化并没有激增，说明在一定程度上减小了像差。2、点列图聚集程度比优化前更好，能量不易分散，有利于成像。3、优化后，综合像差值基本上很小（贴近坐标轴）燕山大学课程设计说明书-29-（4）镀膜镀膜前可以看出镀膜前的透过率在0.63左右镀膜后镀膜后的透过率达到了0.9以上燕山大学课程设计说明书-30-四、总结双高斯物镜是一种对称型结构，故可以先从它的半部系统着手，这时只需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全对称合成后，其垂轴色差自动相消。对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数ⅣS，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数ⅠS，用选取孔径光阑位置校正像散系数ⅢS，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数ⅠC。计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。选取透镜的曲率半径和厚度作为优化变量。调试优化直至各参数满足设计要求。五、心得体会光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。就说论文的编写吧，各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的