光学课设报告

光学课设报告

燕山大学

光学系统设计课程

设计说明书

题目：基于Zemax的潜望镜的设计

学院(系)：

年级专业：电子科学与技术

学号：

学生姓名：

指导教师：

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1.课程设计目的与意义

目的：让学生从书面理论知识，转接到实践解决具体的问题，理解潜望镜的设计原理，以及对即将继续深造考研的同学提前了解和熟悉光学设计的流程和相关应用软件的使用。

意义：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，真理是实践出来的。课程设计教学是把理论和实践相互结合，如此可让学生真正理解所学学科之作用，激发学生向更深层次追求的动力，知行合一，教学才真正完整。

2.课程设计的内容简介

课程设计内容分为三个任务，第一个任务是设计单透镜并研究其球差特性，及优化双胶合结构的球差和轴向色差。第二个

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任务是人眼的几何光学仿真及远视校正。第三个任务就是潜望镜的设计。

3. 课程设计步骤

（1）熟悉和理解设计题目的要求。（2）熟悉如何使用ZEMAX软件。（3）掌握各种操作数的使用，以及分析窗口的使用。

（4）设计结构以及优化参数。

3.1潜望镜的设计

设计要求：EFL=200mm，前透镜到光阑的距离为90mm，光阑到后透镜的距离也为90mm。透镜材料为SF2，波长为0.55um。前后透镜厚度均为15mm,视场角分别设ο0、ο5.10、ο15。选择近轴工作F数为10（既数值孔径为20mm），物距800mm。

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图1.1

初始的LDE 表图

其中，曲径半径关系为面4“pick up ”面2值做-1值，面5“pick up ”面1做+1值跟随。厚度是STO 面对面2做+1值跟随。

此时打开3D Layout 如图：

图1.2 潜望镜的初始结构图

然后设置MFE 操作数，如图所示：

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图1.3 MFE 列表图

此时可以看到EFL=206.189969mm 与要求的200mm 有所差距，所以选择空气隙的厚度作为变量，该MFE 中只有EFFL 激活，其他操作数做监视器作用。然后执行优化OPT ，此时EFL 变成200mm 。

图1.4 MFE 中EFFL 操作数

接着激活PMAG 操作数（目标值为-1，权重为1），将物距设为变量（去掉原先的其他变量），进行优化，然后，利用PMAG 操作数，移动物的位置，使物位于单位倍率处，以便使系统表现出对称特性。

共12页 第7页 为此，在MFE 中加入PMAG 操作数。PMAG 限定的是近轴主光线在近轴像面上的高度与物高之比，令1PMAG -=就能达到上述“物置于单位倍率处，系统对称”的效果。可得3D Layout 图：

图1.5 物位于单位倍率处时对称系统的

外形图

把物置于无穷远，物的厚度设为

Infinity 。把前半部分的曲率和光阑空气隙厚度设为变量，在MFE 中插入TRAC 操作数，同时关掉PMAG 。此时的各视场的RMS 值分别为10.4、685.1、1553.4微米。执行优化后，RMS 值变为59.66、95.0、134.9微米，下面给出优化前后RMS 值的

共12页 第8页 点列图以及优化前的光线扇曲线和场曲曲线。

图1.6.1 优化前的RMS 值

图1.6.2 优化后的RMS 值

图1.7 优化前的光线扇曲线和场曲曲线

再看看变化后的结构图，此时系统的外形图是经典的潜望镜结构了。

图1.8 优化设计完成的经典潜望镜结构

图

以及光线扇曲线和场曲曲线的变化，从下图可以看出T曲线偏向右边逐渐趋近与垂直轴。

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图1.9 优化后的光线扇和场曲曲线

在系统的IMA 面前插入一个虚拟面，将其厚度作为变量。同时将潜望镜前、后透镜的厚度均由15mm 变为5mm ，其它设置不变，进行优化，最后进行平视场优化，再添加三个FCGT 操作数。

图1.10 添加三个FCGT 操作数

优化得到场曲曲线的变化，有T 曲线与垂直轴重合：

图1.11 添加FCGT操作优化后的场曲曲

线

最后让我们看看此时的结构图。

图1.12 添加FCGT操作数优化后的潜望

镜结构图

以及最终的LDE数据表图

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共

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图1.13 添加FCGT 操作数优化后的LDE

表图

至此，潜望镜设计训练就基本完成。

3.2单透镜设计及眼睛的校正

（1）单透镜设计要求设计正透镜、负透镜的球差关系，与双胶合结构的优化轴向色差。

单透镜设计之正透镜数据：

图2.1 正透镜LDE 表

图2.2 正透镜结构图

图2.3 正透镜的球差

从上图可以得出，正透镜的球差为正的。

单透镜设计之负透镜数据：

图2.4 负透镜LDE表

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图2.5 负透镜结构图

图2.6 负透镜的球差

从这里得到负透镜的球差为负的，如此为双胶合结构中正负透镜相互组合可以消除球差做出了理论支持。

（2）下面做双胶合结构，使用了一正一负两个透镜，利用其球差的不同性质，遂可以完成光学系统的球差相互抵消功能。

单透镜设计之双胶合结构数据：

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图2.7 双胶合结构的LDE表

图2.8 双胶合结构图

图2.9 双胶合结构像差数据表

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图2.10 双胶合结构的轴向色差曲线

人眼的几何光学仿真及远视校正：

图3.1 人眼几何光学仿真加远视镜LDE

表

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共12页 第17页 图3.2 人眼几何光学仿真结构图

图3.3 多结构情形下系统的MTF 曲线和

Diffraction Images 图

在原有的基础之上加一个眼睛。

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图3.4 加上远视镜的人眼几何光学方正

结构图

图3.5 远视镜矫正后

多结构情形下系统的MTF曲线和

Diffraction Images图

4. 课程设计总结

经过了两周的光学课程设计，我对光学设计过程有了基本的了解，也基本掌握了简单光学系统的设计，在课程设计过程中遇到了各种问题，通过网上寻找资料，同学之间的讨论以及老师的指导，磕磕绊绊的完成了课程设计任务。

通过这次课程设计，不仅加强了对书面知识的理解，也对基本熟悉了ZEMAX光学设计软件的使用，锻炼了自我寻找资料学习的能力，独自解决问题的能力和集体协作的能力，收获很多。

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