双胶合望远镜头设计

XX大学课程设计说明书201X/201X学年第1学期学院：信息与通信工程学院专业：XXXXXXXX学生姓名：XXXXX学号：XXXXX课程设计题目：双胶合望远镜头设计起迄日期：20XX年12月22日~20XX年01月02日课程设计地点：XX大学5院楼513、606指导教师：XXXX职称:教授目录摘要..............................................................1关键词............................................................1第一章课题要求1.1课题背景.......................................................21.2设计目的.......................................................21.3设计内容和要求.................................................2第二章方案分析2.1课题名称.......................................................32.2主要数据.......................................................32.3设计思路.......................................................32.4实现原理.......................................................32.5主要过程.......................................................4第三章光学系统设计3.1光圈参数设定...................................................53.2视场参数设定...................................................53.3波长设定.......................................................63.4玻璃厚度的设定.................................................63.5像空间的设定...................................................7第四章光学系统分析4.12D光路分布草图................................................74.2标准点列图SpotDiagram..........................................84.3光路图OPDFAN.................................................94.4光线相差图RAYFAN.............................................104.5波前分布图.....................................................11第五章光学系统优化5.1光学系统调焦...................................................125.2设置可变参数...................................................135.3优化函数设定...................................................135.4最终优化.......................................................14第六章系统优化前后比较6.1优化后的2D草图................................................156.2优化后的标准点列...............................................156.3优化后光路图...................................................16第七章心得体会心得体会...........................................................17摘要ZEMAX是一款多功能的光学设计软件，可建立反射、折射、绕射等光学模型，可以用来模拟、分析和辅助设计光学系统，并对光学系统进行优化。双胶合透镜不仅有较好的横向分辨率，而且有较高的轴向分辨率，能够作为共焦3-D成像的一种理想光学元件，在光学领域得到了广泛的应用。本次课程设计，我们将利用ZEMAX软件设计一个双胶合望远镜头，展示利用ZEMAX设计、分析和优化一个简单光学系统的过程，进一步掌握该软件。关键词:ZEMAX双胶合望远镜头光学系统设计分析第一章课题要求1.1课题背景随着计算机技术的不断进步和发展，在光学系统的设计过程中越来越多得利用到计算机技术，其中ZEMAX就是一款应用十分广泛的的光学设计软件，具有功能完善、操作简单、准确性高、人机交互性好等特点，极大地简化了光学系统的设计过程。1.2设计目的：本次课程设计是在学习专业基础课和专业课工程制图基础、C程序语言设计基础、应用光学和精密仪器零件设计的基础上，主要在光学仪器、程序设计实践、光学设计计算与仿真等几个方面开展实践活动，巩固所学知识、培养动手能力。1.3设计内容和要求：1)掌握Zemax光学设计的软件的使用方法；2)理解双胶合透镜的组成及其消色差、球差的原理；3)设计光源的波长为632.8nm,焦距为100mm，相对孔径为1:5；4)给出透镜的具体设计参数、波前分布、结构图、评价函数、求差和点列图。5)参考五篇相关论文。第二章方案分析2.1课题名称双胶合望远镜头设计2.2主要数据（1）透镜的具体设计参数（2）波前分布（3）结构图（4）评价函数（5）差和点列图2.3设计思路1、查阅相关资料学习双胶合透镜的基本构造和原理；2、了解ZEMAX光学软件的基本功能并学习该软件的基本操作；3、利用ZEMAX进行镜头的初步设计并进一步熟悉该软件的使用；4、对光学系统进行进一步的分析和优化，达到所定参数要求；2.4实现原理1、双胶合透镜的原理：单正透镜具有负球差，单负透镜具有正球差，所以单透镜是不能校正球差的。在光焦度一定时，玻璃的阿贝数越大，色差越小，通常情况下，正透镜产生负色差，负透镜产生正色差，因此消色差的光学系统往往都是将正负透镜进行组合，以实现它们的色差互补。消色差双胶合透镜是一种把低分散的玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的消色差透镜。设计时，在蓝色（486.1nm），绿色（546.1nm）和红色（656.3nm）三个波长，对分散的不同值和透镜形状进行了优化，实现了最小色差。因此，此类透镜可在整个可见光区域使用。其球差在设计时也进行了优化，和单个透镜相比，消色差双胶合透镜的球差要小得多。使用于无限共轭状态时，其球差最小，并且消色差双胶合透镜都镀了可见光（400—700nm）用宽带防反射多层膜。2、望远镜镜头的原理：单透镜物镜色差和球差都相当严重，现代的折射望远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜。其中以双透镜物镜应用最普遍。它由相距很近的一块玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，对两个特定的波长完全消除位置色差，对其余波长的位置色差也可相应减弱，如图1所示在满足一定设计条件时，还可消去球差和彗差。由于剩余色差和其他像差的影响，双透镜物镜的相对口径较小，一般为1/15-1/20，很少大于1/7，可用视场也不大。口径小于8厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称双胶合物镜，留有一定间隙未胶合的称双分离物镜。为了增大相对口径和视场，可采用多透镜物镜组。对于伽利略望远镜来说，结构非常简单，光能损失少。镜筒短，很轻便。而且成正像，但倍数小视野窄，一般用于观剧镜和玩具望远镜。对于开普勒望远镜来说，需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像。图1消色差原理图2.5主要过程研究课题→原理分析→设计透镜参数→熟悉ZEMAX软件→利用软件设计光学系统→系统的分析和优化第三章光学系统设计镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。单透镜由两个面组成(前面和后面)，物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中。当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面(或一个)。移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动。”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。3.1光圈参数设定先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径,镜头单位，视场，和波长。1.焦距为100mm；2.波长为0.6328um;3.光源为无穷远处;4.像空间F/﹟=4；5.前一块玻璃为BAK1,后一块玻璃为F3。根据要求的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/﹟=5。EPDefl/#F（1.1）由公式（1.1）得物方孔径EPD约等于20。如图2所示，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择20，单位毫米。图2光圈参数设定3.2视场参数设定在ZEMAX主菜单软件中，选择系统视场，弹出对话框，如图3所示，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0,0),(0,3)和(0,5)。：图3视场参数设定3.3波长设定如图4所示，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长0.6328um，单击确定完成配置。图4波长设定系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。3.4玻璃厚度的设定添加镜面，设计要求双胶合镜头，所以添加2个镜面，如图5所示，在镜面编辑窗口中选择编辑插入曲面。曲面插入完毕，即可向镜头数据编辑窗口写入镜头数据。设计要求第一块镜面材料BAK7第二块镜面材料为F3。在glass窗口中写入材料的类型。在Thickness栏中填入玻璃厚度。图5玻璃厚度的设定3.5像空间的设定如图6所示，设定像空间数据，使用求解去执行设计约束，设置像空间F/#为恒定值5。图6像空间的设定第四章光学系统的分析4.12D光路分布草图步骤：选择分析草图2D草图，将出现2D草图LAYOUT。目的：显示光线的大致传播路径。点击“生成DXF文件”按钮将产生一个2DDXF文件，并将它存储起来。它的文件名用“DXF文件”处输入的文件名确定。如图7所示，DXF文件是由弧和线组成，弧用来显示镜头面的曲率。如果是只使用球面(或平面)的透镜，那么弧可以完全的表示镜头。但是，弧只能近似的表示非球面。如果面是非球面，那么弧只有在顶点，最高点和最低点是正确的。ZEMAX在这三个地方用适合的弧表示确切的面。若光线未能射入到一个面，那么在发生该错误的面光线不画出。如够光线发生全反射，那么在发生全反射的面入射的光线画出，出射的光线不画出。图72D光路分布草图4.2标准点列图SpotDiagram步骤：选择分析点列图标准，将出现标准点列图SpotDiagram。目的：光线密度有一个依据视场数目，规定的波长数目和可利用的内存的最大值。离焦点列图将追迹标准点列图最大值光