望远镜、显微镜组装与设计和zemax使用光学课程设计

长沙学院

光学工程CAD设计

课程设计说明书

题目光学课程设计

系(部) 电子与电气工程系

专业(班级) 光电信息工程（2013级2班）姓名

学号

指导教师孙利平、周远、谭志光、刘莉起止日期2015.6.22—2013.6.25

长沙学院课程设计鉴定表

目录

一、望远镜的设计与组装 (3)

1、项目设计目的 (3)

2、望远镜的基本原理 (3)

3、设计任务 (4)

设计与组装一个开普勒望远镜 (4)

设计与组装一个伽利略望远镜 (4)

设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜 (4)

4、数据记录 (4)

（1）测得透镜焦距 (4)

（2）开普勒望远镜的组装 (4)

（3）开普勒望远镜特性参数测量 (4)

5、照片展示 (5)

6、可用器材 (5)

二、显微镜的设计与组装 (6)

1、项目设计目的 (6)

2、望远镜的基本原理 (6)

3、显微镜的设计及数据记录 (7)

①视放大率 (7)

②系统总长度不能大于光学平台的长度 (7)

③要给出设计值和实测值 (7)

④用手机拍一幅从目镜后拍出的微尺放大图 (7)

4、设计思路 (8)

5、可用器材 (8)

三、Zemax的光学设计 (8)

1、选定光学设计题目 (8)

2、学习zemax的使用 (8)

3、使用zemax软件设计光学器件 (10)

①设计单透镜 (10)

②设计牛顿望远镜 (12)

③设计施密特---卡塞格林系统 (14)

结束语 (16)

参考文献 (16)

一、望远镜的设计与组装

1、项目设计目的

掌握望远镜的原理及特性，并在此基础上通过自组望远镜来提高学生的动手能力以进一步加深对望远系统的理解。

2、望远镜的基本原理

存在两类最简单的望远镜，分别为开普勒望远镜的伽利略望远镜。

开普勒望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成，如下图。

远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。在公共焦平面上可置分划板以测量像的尺寸和位置。平行光射入平行光射出。开普勒望远镜可观测到远处倒立的像。

伽利略望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凹透镜作为目镜组合而成，如下图。

物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。平行光射入平行光射出。伽利略望远镜可观测到远处正立的像。

两种望远镜的视放大率都可表示为：

式中为物镜焦距，为目镜焦距，为入瞳口径，为出瞳口径。两种望远镜物镜均为正透镜，即，开普勒望远镜目镜为凸透镜，即，故开普勒望远镜的视放大率，即成倒像。伽利略望远镜目镜为凹透镜，即，故伽利略望远镜的视放大率，即成正像。

3、设计任务

设计与组装一个开普勒望远镜，要求：

①Γ=2±0.3x ；

②公共焦平面上置分划板；

③需用一定方法测量物镜和目镜的较精确焦距值；

④要求测出其入瞳口径D ，出瞳口径'D ，视放大率 ，出瞳距'p l ； ⑤拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。 设计与组装一个伽利略望远镜，要求：

①Γ=2±0.3x ；

②需用一定方法测量物镜和目镜的较精确焦距值； ③拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。 设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜。

①Γ=2±0.3x ；

②拍系统照片、通过望远镜观察的标尺照片。

4、数据记录

（1）测得透镜焦距

（

2）开普勒望远镜的组装

（3）开普勒望远镜特性参数测量

5、照片展示

6、可用器材

光学平台、磁力卡座、镜架、未知焦距的正透镜若干、未知焦距的负透镜若干、分划板、双波罗棱镜、标尺、米尺、平行光管、接收屏、读数显微镜、游标卡尺、分划板。

可用透镜参数（单位：mm）：

300；225；190；150；70；50；45；29；-150；-100

二、显微镜的设计与组装

1、项目设计目的

掌握显微镜的原理及特性，并在此基础上通过自组显微镜来提高学生的动手能力以进一步加深对显微系统理解。

2、望远镜的基本原理

显微镜由物镜和目镜组成，特点是物镜的焦距很短。显微镜的原理示意如下图。

从图中可见，显微镜由物镜及目镜构成，显微镜的特点是有较大的光学间隔且其物镜的焦距不大，目镜的焦距也比较小。被观测的物体首先经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大以供人眼观察，其成像过程是一个二次成像过程。其系统放大率为：

βΓ=Γ目物

式中β物为物镜垂轴放大率，250

=f Γ目目

为目镜焦距。在此成像过程中，有一个实像

面位于分划面上，故可以实现测量。

显微镜视放大率的测量原理如下图所示。使待检显微镜对承物台上的标准玻璃刻尺1调焦，在垂直光轴方向于明视距离处安放另一刻尺2，并用光源同时照明两个刻尺。此时人眼可同时看清两刻尺的像，并将二者消视差，在视场中读取刻尺1的像与刻尺2齐合的读数M 及N ，则采用下式即可求得显微镜的视觉放大率：

2

1

N M ττΓ=

其中和分别为刻尺1及刻尺2的格值。

3、显微镜的设计及数据记录

选定两个一定焦距的正透镜作为物镜和目镜，设计一个显微镜，要求为：

①视放大率；

②系统总长度不能大于光学平台的长度；

4、设计思路

根据视放大率要求选定物镜和目镜的焦距；

可用透镜参数（单位：mm）：300；225；190；150；70；50；45；29；25；-150；-100。光学平台长度1.3米。

算出待观测物到物镜距离；

算出物镜和目镜间的间距；

算出物镜的垂轴放大率、目镜视放大率；

量出物镜通光口径，算出出瞳口径及出瞳距；

5、可用器材

可提供的实验器具：光学平台，照片光源，钠灯，微尺（1/10mm），毫米尺，透镜若干，底座若干，透镜架若干，调节架若干，45°半折半反镜片。

三、Zemax的光学设计

1、选定光学设计题目

课程1：单透镜（a singlet）

课程2：牛顿望远镜（a newtonian telescope）

课程3：带有非球面矫正器的施密特---卡塞格林系统（Schmidt-Cassegrain）

2、学习zemax的使用

打开zemax软件，设置入瞳孔径(ctrl+G)和波长(ctrl+W)。

设置镜片厚度（Thickness）、镜片类型（Glass）、曲率半径（Radius）、半口径（Semi-Diameter）。

设置评价函数(Editors----Merit Function Editor---Tools---Default Merit Function...)

最佳化调试（Tools--Optimization--Automatic），完成后选择System，然后点击Update All，刷新图形。

3、使用zemax软件设计光学器件

①设计单透镜

设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃。

首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。你可以对LDE 窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。

开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为486微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。

权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL 率。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm 的焦距除F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。注意在LDE中显示的有三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。新的面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1（标上STO是因为它是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。

现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃（Glass）”列，即在左边被标作STO的面。输入“BK7”并敲回车键。ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用。所有我们需要做的仅仅是决定使用“BK7”，ZEMAX会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。

由于我们需要的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。移动光标到第1面（我们刚才输入了BK7的地方）的厚度列并输入“4”。注意缺省的单位是毫米。其他的单位（分米，英寸，和米）也可以。

②设计牛顿望远镜

牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，而且它对于阐明ZEMAX的一些基本操作非常有用。首先，牛顿望远镜是由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无它物。抛物线很好地矫正了所有阶的球差，由于我们只将望远镜使用在轴上系统，所以根本就没有其他的像差。为了重新开始，先关闭除了LDE外的所有窗口，选择“File”，“New”。

假设我们需要一个1000mm F/5的望远镜，这暗指需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和一个200mm的孔径。移动光标到第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-2000.0，负号表示为凹面。现在在同一个面上输入厚度值-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后方”传递。现在在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框（General Data Dialog Box）”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。

ZEMAX使用的缺省值是波长550，视场角0，这对于我们的目标来说是可接受的。现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到象平面的轨迹，此时象平面在镜面的左边。如果你现在演示一个标准的点列图（拉下“Analysis”菜单，选择“Spot Diagrams”，再选“Standard”或键入“Ctrl-S”），你将会看到一幅RMS 为77.6微米的点列图。评定像质的一种较为简便的方法是将艾利（Airy）衍射斑加到点列图的顶部。进行此操作，可从点列图的菜单条选择“Setting”，在“Show Scale”选项中选择“Airy Disk”，然后单击“OK”，所得的点列图如图所示。

所列的RMS点的尺寸是77.6微米，光线并没有达到衍射极限的原因是我们还没有输入圆锥常量。我们原先所输入的2000这个曲率半径只是定义了一个球形，我们需要一个锥形常量-1来定义抛物线。在第一面的“Conic”列输入-1，敲回车，现在选“System”，“Update”菜单项刷新所有的窗口，在更新后的点列图上，你可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0。

很不幸，这个高像质的图象所处的位置并不好。由于像处在入射光路的光程中，图象

无法接收。这通常在主镜面后安放一个转折光线用的反射面来调整，反射镜面以45度的角度倾斜，将像从光轴上往外转出来。为了使用转折面，我们首先必须定下它该安放在哪儿。由于入射的光束为200mm宽，我们所需要的像平面至少要离开光轴100mm。我们选择200mm，因此折叠镜面必须距主反射面有800mm。

先从改变第一面的厚度着手，将之改为-800mm。现在移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。新的面很快会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠镜面。

在新的虚构面上输入一个-200的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。

现在单击“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后设置“Fold Surface”为2，单击“OK”，所得的电子表格会被显示出来，而且会与下表相似（为了清楚起见，有些列已被省略）。

现在我们可以看看我们的新的折叠式牛顿反射镜系统。先前所使用的图将不再起作用（它只对旋转对称系统有作用），取而代之的是3维图形，可通过“Analysis”，“Layout”，“3D Layout”菜单来得到。一旦三维图形显示出来，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down键来控制图形的旋转。ZEMAX允许图形的交互式旋转。显示了一种可能的投影。

这个设计投影图可用多种方法完善。首先，光线从物体到镜面可被显示出来。还有，落在折叠镜面后面的光线应该被拦去，且不允许它落在像平面上。这对于真正的系统来说，是非常重要的，因为光线在通常的光学系统中，不可能物理地穿过反射镜。

首先，我们将光标停在第一面，在光阑前加入一个虚构的面。现在使得虚构面的厚度为900mm，双击第一面的“Standard”，在对话框中为孔径类型选择圆形遮拦（“Circular Obscuration”），在光束中安放一个“遮拦（Obscuration）”，这样就考虑到了折叠反射镜阻挡了一些光束。为“最大半径（Max Radius）”输入40，然后单击OK，再更新3维图。系统现在如图E3-3所示，看上去更为实际。如果不是所有的表面都是可见的，选择“Setting”，然后将第一面和最后一面的选项分别改为1和6，或单击“Reset”，然后按“OK”。

此处描述的过程，就是所有使用折叠反射镜所要注意的。坐标断点除了反射镜以外，也可用在TIP、倾斜和偏心光学部件上。完整的光学部件可以被移动，可参考ZEMAX所附带的一些设计举例。

③设计施密特---卡塞格林系统

如图设置Lens Data Editor。

采用10英寸的孔径，10英寸的后焦距（从主镜的后面到焦点）。由于只有矫正板和主反射面，进行这个设计是比较简单的，因此我们开始时先在光阑后插入两个面。选择“SYSTEM”，“GENERAL”，输入10作为孔径值。在同一个屏幕上，将单位“毫米（Millimeters）”改为“英寸（Inches）”。

选择“SYSTEM”，“WA VELENGTHS”，得到“波长数据”屏幕，设置3个波长：486，587，和656，其中587为主波长。这些步骤可以用一个操作来完成：单击波长对话框底部的“选择（Select->）”按钮。

现在，我们将使用缺省的视场角0度，在下表的表格中输入数据。光阑被放在主面曲率半径的中心，这是为了排除视场像差（如彗差），它是Schmidt设计的特点。

观察Layout图形和MTF图形

MTF图是一种非常有用的分析工具。图中显示了所有已给定视场的切向和径向的响应。但是，图中仍然有些错误。一个有知识的设计者会认识到，所显示的数据是一个圆形光瞳的自相关。真正的问题所在是我们还没有说明系统中的这几个通光孔径和遮挡，存在着由辅助镜面引起的遮挡，并且，在主反射面上还有一个缺口。如果我们加入这些影响，性能会减低，特别是在中间的空间频率方面。

结束语

刚开始接触光学课程设计时，感觉这是一门很有挑战性的课程，特别是对于我们这些只会使用望远镜、显微镜而从没想过要怎样设计的人来说，更是觉得自己在短短四天内设计一个望远镜是不可能的事。随着老师的逐步讲解和对查询的资料的了解，我对望远镜、显微镜的设计有了进一步的了解，特别是对设计的流程有了更深的体会。当自己把望远镜和显微镜设计出来之后，感觉到莫名的成就感，虽然这个过程是辛酸的，但是结果却令自己很欣慰。通过对望远镜、显微镜的设计与组装，锻炼了我的动手能力，使我在课堂上学的知识得到运用，加深了我对知识的理解。

对于Zemax软件的使用，刚开始时，整个软件界面是全英文的，根本不知如何下手，但是经过老师的讲解后，我发现也并不是那么难，只要记下一些常用的单词，比如波长、入瞳孔径、厚度、半径之类的，就能够基本的使用这个软件设计简单的光学器件了，之后学会使用评价函数和最佳化调试，就能对自己设计的光学器件进行优化，达到设计者想要的效果。

在本次光学课程设计中，我深深感受到课堂上学的东西只是皮毛，真理在于实践，只有当遇到问题时，才知道事情并没有想象的那么简单，只有刻苦钻研，敢于实践，将所学的知识灵活的运用到实际中，才能解决自己的问题。希望学校能过给我们更多的类型的课程设计，让我们在学习中完善自己的知识，培养我们解决问题的能力，巩固所学知识，让我们成为既能动脑又能动手的全能型人才。

参考文献

【1】李林、安连生、李全臣、黄一帆[M].北京理工大学出版社

【2】梁铨廷[M].电子工业出版社