光学设计报告

光学设计课程报告

班级：

学号：

姓名：

日期：

目录

一、双胶合望远物镜的设计 (02)

二、摄远物镜的设计 (12)

三、对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20)

四、艾尔弗目镜的设计 (30)

五、低倍消色差物镜的设计 (38)

六、无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47)

七、双高斯照相物镜的设计 (52)

八、反摄远物镜的设计 (62)

九、课程总结 (70)

一、 双胶合望远物镜的设计

1、设计指标：

设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率：3.7?

；出瞳直径：4mm ；出瞳距离：大于等于20mm ；全视场角：

210w =?；物镜焦距：'

=85f mm 物；棱镜折射率：n=(K9)；棱镜展开长：

31mm ；棱镜与物镜的距离40mm ；孔径光阑为在物镜前35mm 。 2、初始结构计算 (1) 求

J h h z ，，

根据光学特性的要求4.728

.142===

D h ：

44.75tan 85tan ''=?=?=οωf y

0871

.0''==f h u

648.0'''==y u n J

(2)计算平行玻璃板的像差和数

C

S S S I I I I ，，

平行玻璃板入射光束的有关参数为

0871.0=u

0875.0)5tan(-=-=οz u 005

.1-=u u z

平行玻璃板本身的参数为

d=31mm ； n=； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得：

000665.01.51631-1.5163×0.0871×-3113

24

432-==--=I du n n S

0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u ×

=z

I I I S S

000824.0087.05163.11.6415163.131122

22-=??-?-=--=I u n n d

S C υ

(3)根据整个系统的要求，求出系统的像差和数SⅠ，SⅡ，C

SⅠ：

为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的

像差为：

'

m

δL=0.1mm，'0.001

m

SC=-，'0.05

FC

L mm

?=

(4)列出初级像差方程式求解双胶合物镜的

C

W

P，，

∞

∞

由于

棱镜

物镜

系统

S

S

S+

=

所以双胶合物镜的像差和数为

000852

.

-

棱镜

系统

-

=

=

I

I

I

S

S

S

0019642

.

-

棱镜

系统

-

=

=

II

II

I I

S

S

S

000444

.

-

棱镜

系统

=

=

I

I

I C

C

S

S

S

C

(5)列出初级像差方程求P，W，C

(6)由P，W，C求

C

W

P，

，

∞

∞

由于h=，f’=85，因此有

进而可得：

174

.0

)

(3

=

=

?h

P

P

3994

.0

)

(2

=

=

?h

W

W

由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：

174

.0

=

=

∞

P

P3994

.

=

=

∞

W

W

将带入公式求

根据，查找玻璃组合。

最后选择K10-ZF3。其参数为：

K10：

ZF3：

(7)求透镜组半径

以上半径对应焦距等于1，将它们乘以焦距,得到最后要求的半径为

(8).确定透镜厚度

透镜厚度除了和球面半径和透镜直径有关外，同是要考虑到透镜的固定方法，质量要求，加工难易等因素，参考光学设计手册中的规定，我们

取，。这样，双胶合物镜的全部结构参数为

r d Glass

4 K10

2 ZF3

至此，双胶合望远物镜的初级像差求解全部完成了，物镜系统的全部结构参数如下：

r d n

0(光阑) 35 1

4 (K10)

2 (ZF3)

40 1

0 31 (K9)

3、zmax初始结构输入

将数据输入zmax后，输入结果如图

系统二维结构图

系统二维点列图

初始光线扇形图

初始结构的光学特性参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\周视

Title:

Date : WED JAN 14 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 7

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 =

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)

有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA :

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 :

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 5

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

5

6

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

5

6

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

4、zmax优化

优化过程中采用EFFL评价函数来控制透镜焦距，将双胶合物镜的半径作为自变量。

优化后最终结果如下所示：

优化后的系统参数

系统二维图

系统点列图

系统光线扇形图

优化后系统光学参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\周视

Title:

Date : WED JAN 14 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 7

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 =

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA :

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 :

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 5

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

5

6

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

5

6

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

通过对于点列图等其他报告的比较，可以看出系统的像差有了极大的改善，达到了系统所要求的像差范围。

二、摄远物镜设计

1、设计要求

焦距,通光口径,视场，像距>54mm

r d

13 (BAK3)

5 (ZF6)

1 1 1

8 (ZK7)

1 1 1

4 (BAF8)

(ZK8)

1 1 1

(1)输入摄远物镜的半径、厚度和玻璃材料；

(2)输入光学特性参数：入瞳口径、视场角和三种波长；

(3)确定孔径光阑位置，光阑与第一面重合；

(4)将像距设定为理想像距；

(5)画二维或三维图，观察是否正确；

(6)对像质进行评价，计算扇形像差、点列图、波像差和MTF;

(7)将所有半径（光阑面除外）和厚度间隔设为变量；

(8)建立评价函数，反复进行优化；

(9)评价成像质量

2、zmax初始结构

系统参数

系统二维图

点列图

扇形像差

系统的MTF

系统的结构参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\桌面\zmax光学\

Title:

Date : WED JAN 14 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 9

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 = 60

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)

有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA : 3e-009

光阑半径 : 30

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 : 60

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 :

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 4

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

3、zmax系统优化

优化后的系统结构参数

优化后的二维结构图

优化后的点列图

优化后的扇形像差

优化后的MTF

系统的结构参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\

Title:

Date : WED JAN 14 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 9

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 = 60

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA : 3e-009

光阑半径 : 30

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 : 60

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 :

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 4

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

由上面可以看出，经过对系统的结构进行优化，系统的焦距达到了预期，并且成像质量也得到了很大的改善，系统的像差得到了极大的优化，通过观察点列图和MTF函数可以看出成像质量达到了预期。

三、对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合

1、设计要求

设计并优化对称式目镜；

将反向设计的对称式目镜反转并且与物镜配合，组成望远系统；

R D GLASS

AIR

F3

K9

AIR

K9

F3

0 AIR

由于要与之前设计的双胶合物镜配合，可知目镜有如下系统要求：

焦距

mm f

f97

.

22

7.3

85

'

'=

=

Γ

=物

目

出瞳大于等于20mm

像方视场角

ο

18

))

tan(

arctan(=

?

Γ

=ω

ω’

确定反向光路里面光阑的位置

通过读取双胶合物镜的系统参数，可以知道物镜的出瞳距离（物镜成像面到出瞳面的距离）为，

所以反向光路里面的光阑的位置=+=

2、zmax初始结构

系统初始结构数据

系统二维结构图

扇形像差

点列图

系统特性参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\对称式目镜.ZMX

Title:

Date : WED JAN 14 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 9

Stop : 7

系统光圈 : 入瞳直径 = 4

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)

有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA : 2e-010

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 : 4

入瞳区域 :

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 18

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

5

6

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

5

6

Wavelengths : 3

Units: 祄

# Value Weight

1

2

3

3、zmax系统优化

由系统参数看出系统的焦距不满足条件，需要优化。采用EFFL ，所有半径均为自变量。对称的半径用P标记跟随。

评价函数如下：

优化后的系统的二维结构图

优化后的扇形像差

优化后的点列图

通过点列图和扇形像差图可以看出，系统的像差已经满足系统的设计要求。

3、目镜与物镜的配合

组合后的系统参数

组合后的系统的二维结构图

组合后的点列图

组合后的系统的扇形像差

组合系统的MTF

组合系统的系统参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\组合后.ZMX

Title:

Date : THU JAN 15 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 15

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 =

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA :

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 :

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 5

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

5

6

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

5

6

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

从点列图和扇形图可以看出，组合系统的成像质量还是很好的，符合系统的设计要求。从特性参数可以看出，出瞳直径为: ，满足系统的出瞳大于20的要求，满足设计要求

四、艾尔弗目镜的设计

1.设计要求：

设计一个艾尔弗目镜，焦距25mm，半视场，出瞳直径，出瞳距离18mm，初

始结构如下：

r d 玻璃材料

AIR

3 F4

14 K9

AIR

K9

AIR

K9

F4

0 AIR

初始结构

初始结构输入

初始结构的二维图形输出

初始结构的点列图

初始结构的扇形像差

初始结构的系统参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\艾尔弗.ZMX

Title:

Date : THU JAN 15 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 10

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 =

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA :

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 :

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 25

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1

2

3

4

5

6

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1

2

3

4

5

6

Wavelengths : 3

Units:

# Value Weight

1

2

3

3、zmax系统优化

我们把系统的8个球面曲率，，，，，，，均作为自变量进行校

正。透镜的厚度以及玻璃的光学常数均不作为自变量使用。

同时将优化函数的相关参数设置如下图所示

即将MNCG MNEG两个函数设置为0在进行优化

优化后的系统结构参数为

优化后的系统的二维图形

优化后的系统的点列图

优化后的系统的扇形像差

优化后的系统的结构参数

System/Prescription Data

File : C:\Users\weihua\Desktop\艾尔弗.ZMX

Title:

Date : THU JAN 15 2015

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 10

Stop : 1

系统光圈 : 入瞳直径 =

Glass Catalogs : SCHOTT CHINA

Ray Aiming : Off

变迹 : 均衡,统一的, 因子 = +000

有效的焦点长度 : (系统温度和压力在空气中)有效的焦点长度 : (在像空间)

Back Focal Length :

统计轨迹 :

图像空间F/# :

离轴工作面F/# :

工作面F/# :

Image Space NA :

物空间 NA :

光阑半径 :

离轴像高 :

近轴放大率 : 0

入瞳直径 :

入瞳区域 : 0

入瞳直径 :

入瞳直径区域 :

Field Type : Angle in degrees

最大视场 : 25

主光波长 :

镜头单位 : 毫米

角度放大率 :

Fields : 6

Field Type: Angle in degrees