光学设计-对称式目镜

电气工程学院课程设计评审意见表指导教师评语：认真正确完善完善较为合理合理工作态度较认真理论分析一般软件设计一般不认真较差较差平时成绩：指导教师签字：年月日图面及其它成绩：答辩小组评语：清晰正确基本掌握优化设计基本正确原理了解不正确不清楚答辩成绩：组长签字：年月日课程设计综合成绩：答辩小组成员签字：年月日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。如今，光学系统的设计可分为两个阶段：一、外形尺寸计算；二、像差设计。进行光学设计也有两种不同的方法：其一，是把已有的物镜的结构形式作为初始结构，进行像差校正；其二，是根据所选定的结构形式，按初级像差理论求解初始结构，在进行像差校正。其中像差校正方法有两种：一是人工单因素校正，即有设计者根据系统像差情况，改变系统的一个结构参数（r、d、n）,再进行光路计算，重复这样的过程，直至达到满意的成像质量。另一种是用电子计算机，按优化理论和统计理论对光学系统各个参数同时给出不同的该变量，进行像差校正，重复多次运算（每次运算称为一次迭代），可达到满意的像质，称为像差自动平衡，也有人对初始结构做像差自动平衡，再做人工单因素自动校正。本次课设在初始结构设计过程中主要采取第一种方法，将已有的物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。关键字：光学设计像差校正目录摘要......................................................................2目录......................................................................3第一章初始结构............................................................41.1对称式目镜相关介绍.................................................................................................41.2确定初始结构参数.....................................................................................................5第二章缩放法设计对称式目镜..............................................62.1焦距缩放.....................................................................................................................62.2优化前结构与图像分析.............................................................................................72.2.1透镜输出.............................................................................................................72.2.2像质评价报告..................................................................................................8第三章对称式目镜优化.....................................................103.1曲率半径优化.............................................................................................................103.2Thickness优化.........................................................................................................113.3优化后分析总结..........................................................................................................14第四章学习心得体会......................................................14第五章参考文献..........................................................16第一章初始结构1.1对称式目镜相关介绍对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场目镜，结构如图（1-1）所示：图1-1它由两个双胶合透镜组成，可惊奇看做一个薄透镜租来近似的分析像差性质。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，可以达到'/'3/4zlf，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。1.2确定初始结构参数本次课程在目镜设计过程中从一些专利文献和镜头手册中选出一些光学特性与所设计的目镜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，确定所以选型是否合适，这关系到整个显微物镜设计的成败。本次课设要求的参数为焦距'=f目40mm、视场245、出瞳直径'6Dmm本次课设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-1所示：表-1面数r/mmd/mm材料Object6159.721.2F3219.676K93-24.480.1424.486K96-19.671.2F37-59.7214.56Image1）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3，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、21、30,即选择光轴光线，0.707带光线和边缘光线三类光线。4）点击EditorsMeritFunctionTools，加入EFFL项，选择第2波长，设定Target为20.006,Weight值为1。得到系统平面剖面组图-1初始数据lay模拟图第二章缩放法设计对称式目镜2.1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其中：ir、*ir分别为初始和缩放后结构的曲率半径；'**'iifddf其中：id、*id分别为初始和缩放后结构的透镜厚度和间隔。因为,20'f245得到'*/'2ff，将初始结构参数带入上公式，得到缩放后的*ir和*id。列如下表-2：表-2面数r/mmd/mm材料Object121119.442.4F3239.3412K93-48.960.2448.9612K96-39.342.4F37-119.4429.12Image表-2中所示即为符合本次课设要求的目镜初始数据，将此数据作为本次课设后续说明中像差校正和光学系统优化的基本数据。按照上述过程在ZEMAX软件中输入计算后的数据，至此，数据输入工作基本完成，出现了如下的镜头数据编辑窗口（图-2）：图-2缩放后初始数据ZEMAX键入图2.2优化前结构与图像分析2.2.1透镜输出点击工具栏中Lay图标，出现优化前物镜系统平面剖面组，如下图示：图-3缩放后lay模拟图像图像分析结果：如图显示，缩放后结构基本满足设计结构要求，没有出现设计结构的变形和不合理现象。2.2.2像质评价报告1）点击工具栏中Ray图标，出现rayfan曲线图，如下：图-4初始数据子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线图像分析：在ZEMAX中有一个重要的分析手段，就是显示rayfan图。rayfan表示是光学系统的综合误差。它的横坐标是光学系统的入瞳标量，纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。2）点击工具栏中fcd图标，出现轴外细光束像差曲线，如下：图-5初始数据轴外细光束像差曲线左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，横坐标左图是场曲，右图是畸变的百分比值。综合图-1、图-2所示，初始数据所示的光学系统像质不够好，有待进一步的优化。3）光学传递函数（MTF）分析，单击工具栏中的Mtf图标，出现光学系统的调制传递函数图，如下：图-6初始数据mtf曲线图图像分析：所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。从理论上可以证明，像点的中心点亮度值等于MTF曲线所围成的面积，曲线所围成的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统的成像质量越好，图像越清晰。因此在光学系统的接收器截止频率范围内，利用MTF曲线所围成的面积的大小来评价光学系统的成像质量是非常有效的。如图所示明显可知，MTF曲线所围成的面积过小，光学系统的成像质量不高，所以需要对其进行优化。4）点击工具栏中Spt图标，出现spotdiagram曲线图，如下：图-7初始数据点列图图像分析：在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图点列图下方给的数可以看出每个视场的RMSRADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEORADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。对于点列图图像而言，点阵集中程度越高，弥散半径越小，成像质量也就越高。就初始数据点列图图像而言，点阵分散，成像质量不高。第三章对称式目镜优化3.1曲率半径优化一般来说，透镜组的全部结构参数豆可以作为优化变参量与优化，首先，通过优化曲率半径的途径来提高像质，对优化结果进行像质评价。采用ZEMAX自动优化的方法：首先右击第二个面的Radius，选中Variable，点击Opt按钮，选中其中的Automatic，对第一组曲率半径进行自动优化，观察优化结构，与初始数据像差分析图进行比较，如果，光学系统得到优化，则将该组曲率半径固定，如果结果不尽如人意，则将保留原始数据。按照如此的思路，对本光学系统中出现的曲率半径依次进行优化，最终得到曲率半径优化完成的参数，并对图像进行分析。得到的光学系统分析图如下：图-8曲率半径优化后像差分析图很明显，曲率半径优化后的结果没有初始结构完善，所以曲率半径保持不变，主要对光学系统进行Thickness优化。3.2Thickness优化具体优化过程不变，加入人为优化的过程，优化后得到的图像如下：图-9优化后ray和轴外细光束像差曲线图-10优化后spt、