光学设计双胶合透镜实验报告
光学设计报告
湖北第二师范学院《光学系统设计》题目：望远镜的设计姓名：刘琦学号:1050730017班级：10应用物理学目录望远系统设计............................................................................................... 第一部分：外形尺寸计算 .......................................................................... 第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计） ....................... 第三部分：目镜的设计 .............................................................................. 第四部分：像质评价 .................................................................................. 第五部分心得体会 ..................................................................................望远镜设计第一部分：外形尺寸计算一、各类尺寸计算 1、计算'f o 和'f e由技术要求有：1'4o Df =，又30D mm =，所以'120o f mm =。
又放大率Γ＝6倍，所以''206o e f f mm ==。
2、计算D 出303056D D D mm =∴===Γ物出物 3、计算D 视场2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==⨯⨯=视场4、计算'ω（目镜视场）''45o tg tg ωωωΓ⨯=⇒≈5、计算棱镜通光口径D 棱（将棱镜展开为平行平板，理论略）该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：如何考虑渐晕？我们还是采取50%渐晕，但是拦掉哪一部分光呢？拦掉下半部分光对成像质量没有改善（对称结构，只能使光能减少），所以我们选择上下边缘各拦掉25%的光，保留中间的50%。
望远镜设计计算指导和双胶合物镜设计
589.32
n 'sin 2 um
=0.0377；
小于 0.02 即可。
修改 r1 、 r2 、 r3 达到以上要求！ 请看范例 物镜.zmx
（可以选取别的玻璃对作为双胶合物镜，有的容易校正像 差，有的则稍微困难，即使玻璃对选取相同，最后调整的结 果也不相同，所以不要抄袭!）
d1 6 , d2 3 d,3 5 9 d4 . 8 ,
5
d5 3 3 d. 5 ,同 6，
时 2 ,有
3 3 . 5
n1 1 , n2 K 9 ,3n
F54 , n
1n,
。 K6 9n , 7 1 n ,
K
9
输入 zemax 运行计算： 1）焦距 119.5～120.5mm 为合格； 2）像差容限 i)球差：1H 孔径小于 1 倍焦深，1 倍焦深= 0.707H 带球差小于 6 倍焦深=0.226。 ii)色差：全孔径范围都小于 0.1 即可 iii) 慧 差 ： 我 们 用 慧 差 代 替 正 弦 差 ， 即 弧 矢 慧 差
2、初始结构参数（三个透镜，五个面）
目镜是一个放大的光学系统，根据设计经验，我们采取 “倒追”的方法，进行反向追迹！ 首先要确定的是接眼镜的结构，因为场镜只是为了衔接 光瞳的，对像差的要求在接眼镜上。 组合焦距
f e ' 20mm
，接眼镜
f眼 ' 20mm
，一般取
f眼 ' 1.2 fe ' 24mm （经验公式！ ）
至此，物镜设计完毕，可以保存数据，图表，整理设计 报告。
光学设计报告
光学设计课程报告班级：学号：姓名：日期：目录双胶合望远物镜的设计 (02)摄远物镜的设计 (12)对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20)艾尔弗目镜的设计 (30)低倍消色差物镜的设计 (38)无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47)双高斯照相物镜的设计 (52)反摄远物镜的设计 (62)课程总结 (70)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 ''=⨯=•= ωf y0871.0''==f h u648.0'''==y u n J(2)计算平行玻璃板的像差和数CS S S I I I I ，，平行玻璃板入射光束的有关参数为0871.0=u0875.0)5tan(-=-= z 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×-311324432-==--=I du n n S0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u ×=zI I I S S000824.0087.05163.11.6415163.13112222-=⨯⨯-⨯-=--=I u n n dS C υ(3)根据整个系统的要求，求出系统的像差和数S Ⅰ，S Ⅱ，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 ，'0.001m SC =-，'0.05FC 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000852.0-棱镜系统-==I I I S S S0019642.0-棱镜系统-==II II I I S SS000444.0-棱镜系统==I I I C CS SS 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==ϕh P P3994.0)(2==ϕh 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 P 3994.0==∞W W将∞∞W P ，带入公式求0P根据，查找玻璃组合。
哈工大 光机系统设计 双胶合透镜 实验报告
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y实验报告课程名称：光机系统设计实验名称：双胶合消色差物镜设计院系：电气及自动化与控制系班级：姓名：学号：哈尔滨工业大学1， 实验目的设计一个双胶合消色差透镜，并绘制图形，熟悉应用光学、机械学等相关知识，掌握光机系统设计的流程。
2. 结构特性分析双胶合消色差物镜光学性能要求: 1) f / 6，焦距540mm ； 2) 视场角1.5°；3) 镜片材料选择BAK1 和BK7； 4) 20 线对/mm 处MTF>0.4； 5) 工作波长：可见光3. 初始结构设计当物体处于无穷远时，P ∞=W ∞=0（孔径角消失），设计消色差系数C=0。
透镜的光焦度分配公式： )v 1-v 1/(1-2121）（v c =ψ 12-1ψ=ψ通过应用光学相关知识，算的双胶合透镜的曲率半径依次为： R 1 =345.231 R 2 =-240.89R 3 =-1003.25两个透镜的初始厚度设计各为7mm ，透镜组到成像面的距离设计为近轴光线，由ZEMAX 计算出相应厚度调整值。
图1 双胶合透镜出结构设计图 2 所示，视场90mm；如图 3 所示，视场角设定为1.5°，图 4 所示，入射光线为可见光；如所示为初始透镜结构图。
图2 设定视场图3 设置光场图4 设定入射光4. 系统优化设计焦距值为540mm,设定默认优化函数EFFL target 为540，权重为1，选择透镜的三个曲率半径以及相应的厚度作为优化参数，优化结果如图 5所示。
图5 优化结果参数5. 像质分析由图6所示，优化后最大的波像差大约为4个波长，尚未达到衍射极限，应为焦平面上的彗差影响所致；同时可见这个透镜相对与可见光的低阶色差比较小，满足设计要求。
图8优化后光线追迹曲线如图 6所示，优化后存在彗差，由图中度数可得艾里斑半径为8.595μm，而像差RMS半径为18.570μm，可见此优化结果基本达到设计要求，可以使用。
哈工大 光机系统设计 双胶合透镜 实验报告
哈工大光机系统设计双胶合透镜实验报告哈工大光机系统设计双胶合透镜实验报告哈尔滨工业大学实验报告Harbin Institute of Technology 实验报告课程名称：光机系统设计实验名称：双胶合消色差物镜设计院系：电气及自动化与控制系班级：姓名：学号：哈尔滨工业大学1，实验目的设计一个双胶合消色差透镜，并绘制图形，熟悉应用光学、机械学等相关知识，掌握光机系统设计的流程。
2. 结构特性分析双胶合消色差物镜光学性能要求: 1) f / 6，焦距540mm；2) 视场角1.5°；3) 镜片材料选择BAK1 和BK7；4) 20 线对/mm 处MTF>0.4；5) 工作波长：可见光 3. 初始结构设计当物体处于无穷远时，P∞=W∞=0（孔径角消失），设计消色差系数C=0。
透镜的光焦度分配公式：通过应用光学相关知识，算的双胶合透镜的曲率半径依次为：R1 =345.231 R2 =-240.89 R3 =-1003.25 两个透镜的初始厚度设计各为7mm，透镜组到成像面的距离设计为近轴光线，由ZEMAX 计算出相应厚度调整值。
图1 双胶合透镜出结构设计图2 所示，视场90mm；如图3 所示，视场角设定为1.5°，图4 所示，入射光线为可见光；如所示为初始透镜结构图。
图2 设定视场图3 设置光场图4 设定入射光4. 系统优化设计焦距值为540mm,设定默认优化函数EFFL target 为540，权重为1，选择透镜的三个曲率半径以及相应的厚度作为优化参数，优化结果如图5所示。
图5 优化结果参数5. 像质分析由图6所示，优化后最大的波像差大约为4个波长，尚未达到衍射极限，应为焦平面上的彗差影响所致；同时可见这个透镜相对与可见光的低阶色差比较小，满足设计要求。
图8优化后光线追迹曲线如图6所示，优化后存在彗差，由图中度数可得艾里斑半径为8.595μm，而像差RMS半径为18.570μm，可见此优化结果基本达到设计要求，可以使用。
光学设计：双胶合物镜设计
《光学设计》PW 法求初始结构参数（双胶合物镜设计）姓名：李军 学号：12085212光学特性：已知焦距mm f 435=；通光孔径mm D 67= ； 入曈位置与物镜重合 0=z I展成玻璃板的总厚度mm d 175=。
（1）确定物镜形式：由于物镜相对孔径较小：1540.043567,==fD视场不大，物镜系统没有特殊要求，可以采用简单的双胶合物镜。
（2）求初始结构 1、求,,z h h J由设计条件，有:5.332672===D h ，由于瞳孔与物镜重合，所以0=zh注意：由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差。
0770.04355.33,,===f h u 80.22)3tan(435tan ,.=-⨯-=⋅-=。
ωf y 756.180.220770.0,,,=⨯==y u n J2、计算玻璃的平板像差 ，两个平板：0524.0-3,0770.0=-==。
z u u ，6805.00770.00524.0-=-=u u z由已知条件：（n 为折射率，v 为阿贝常数）1.64,5163.1,175===νn d将上列数值带入初级相差公式得到：00233.00773.05163.115163.1175143232-=⨯-⨯-=--=n n d S I00158.0)6805.0(00233.0=-⨯-==uu S S zIII 00363.00770.05163.11.6415163.117512222-=⨯⨯-⨯-=--=u n n d S IS ν3、双胶合物镜像差双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。
（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）（1）根据S I,求C 并规划成C 进行规化后：c h c h S IS 22∑==，所以000003234.0=C求规划后的C ，根据公式：00141.0435000003587.0,=⨯==Cf C（2）求P 、W ： 由初级相差和数hp hp S I ∑==：得到0000695.05.3300233.0===h S P I 由公式：JW p h W J hp S Z I I -=-=∑∑,由于0=z h ， 所以00090.0756.1)00158.0(=--=-=J S WII （3）求P ∞、W ∞：已知mm f 435=，，5.33=h000457.0)(00593.0,0770.032,====ϕϕϕh h fh h ，）（根据公式可以得到：152.0000457.00000695.0)(3===ϕh P P1518.000593.000090.0)(2===ϕh W W物体平面在无限远位置，无需再对规划后的物体位置进行规划：152.0==∞P P , 1518.0==∞W W4）求0P冕牌玻璃在前：1497.0)1.0(85.020=--=∞W P P4.查表，选玻璃对。
ZEMAX光学设计第06讲双胶合消色差透镜设计
image points O'tan O' sag
y chief ray
O' ciቤተ መጻሕፍቲ ባይዱcle
最清楚面2焦点中间
x
sagittal differential
ray
optical axis
• 斜向入射时的像差
– 会有两个焦点（一横一竖，子午面） –子午平面(Tangential) : 中心光线 + 光轴 – 横切面 (Sagittal): 中心光线 + 垂直子午面
• 例如激光聚焦
2.双胶合消色差透镜设计
像散 直观概念
在没有其它像差的情况下，各 方向入射光束焦点与透镜的距 离应该一样
–斜向入射的光聚焦点离透镜表 面的垂直距离较短
源于光学系统的不对称！
散光眼睛看到的影像
如何消除像散 • 改变透镜的形状
子午面焦点重合
彗差 vs.像散
同样都是斜向入射的像差 • 彗星像差在入射光直径很粗的时候明显
• 例如阳光 • 散光像差在入射光直径很细的时候明显
像散
• 波前像差：对称 xz 平面，离轴越远越严重 • y相关性代表也是在y轴上斜向入射造成的像差
• 像差距离：会在焦点形成一个线段散开
横切面后聚集
像散
子午平面
tangential differential
ray
子午平面先聚焦
al section are different
d in different
ZEMAX光学设计 (第6讲)
Optical Design & ZEMAX
双胶合消色差透镜设计
1.像散
像差的起源
其他五种像差
• 统称为几何像差 • 在后面一一描述
双胶合透镜课程设计报告书
双胶透镜设计1．双胶合透镜设计方案1.1双胶镜头简介当今光学系统已经应用到了广泛的领域当中，所以对于光学镜头的设计就成了现在人们十分关注的事情。
其中双胶合镜透镜使用最广泛。
在光学设计中，像差(abeDation)指公光学系统中由透镜材料的特性或折射(或反射)表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。
理想像就是理想光学系统所成的像。
实际的光学系统，只有在近轴区域以很小孔径角的光束所生成的像是完善的。
但在实际应用中，需有一定大小的成像空间和光束孔径，同时还由于成像光束多是由不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。
因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，这就是像差。
像差的大小反映了光学系统成像质量的优劣。
几何像差主要有七种：其中单色光像差有五种，即球差、彗差、像散、场曲和畸变；复色光像差有轴向色差和垂轴色差两种。
单个透镜的色差是无法消除的，但把一对用不同材料做成的凸凹透镜胶合起来，可对选定的两种波长消除色差。
根据薄透镜系统的初级像差理论，在允许选择玻璃材料的条件下，一个双胶合薄透镜组除了校正色差外，还能校正两种单色像差。
另外对于单透镜来说，虽然可以选择不同曲率半径使球差达到最小，这称为配曲法，但配曲法不能完全消除球差，考虑到凸透镜和凹透镜有符号相反的球差，所以可以把两种透镜胶合起来进一步消除球差，同样对于彗差也是一样的，轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后，在理想平面上不再交于一点，而是形成状入彗星的亮斑，此称为彗差。
利用配曲法可部分消除单透镜的彗差，也可以另用胶合透镜消除彗差，但因为消球差和消彗差所要求的条件往往不一致，所以这两种像差不易同时消除。
双胶合物镜：（简称双胶物镜）双胶物镜由一正透镜和一负透镜胶合而成（正负透镜用不同种类的光学玻璃），正负透镜胶合面两个球面半径相等。
这种物镜的优点是：结构简单，光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差、彗差、色差，但不能消除像散、场曲与畸变，但双胶物镜口径一般不超过Φ100mm，因为当口径过大时，由温度变化胶合加会产生应力，使成像质量变坏甚至脱胶。
双胶合透镜
首先仍然是输入光学特性参数。 既然是doublet，你只要在单透镜的LDE 上STO 后再加入一面镜片即可。在第一、第二面镜片上 的Glass 项目键入BK7 和SF1。现在把STO 和第 二面镜的thickness 都fixed为3，仅第3 面镜的 thickness 100 thickness为100 且设为variable， variable
双胶合透镜设计 （a doublet）
单透镜是不能校正球差的，单正透镜具有负球差， 单负透镜具有正球差。 初级位置色差取决于透镜的光焦度和制造透镜所 用玻璃的光学特性。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 统通常都是将正负透镜组合，以使他们的色差相 互补偿。
保持边缘厚度为一个特定值的方法 在第一面的厚度列中双击
第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中， 表示此参量为一个活动的边缘厚度解。
再次更新表面数据窗口，边缘厚度3会被列出。通 过调整厚度，我们已对镜片的焦距作了一点改变。
然后，再进行optimization，然后选择“System”， “Update All”，再一次刷新图形。
在我们修整偏 小的边缘厚度 之前，我们先 将镜片放大。
移动光标到第一面的半口径 “Semi-Diameter”列， 键入“14”替代所显示的12.5，ZEMAX会消去 12.5并显示“14.000000U”。第二、三面也输入 14。
更新layout，现在孔径已经被放大，report显示第一 个边缘厚度变成一个负数。
实际光学系统——2D layout 除了光学系统的摆放外，你还会看到3条分别通过 entrance pupil (在此为surface 1)的top，center， bottom 在空间被trace出来。 他们的波长是一样的 （蓝色的），就是 primary wavelength。 这是Zemax default的 结果。
光学设计：双胶合物镜设计
r
d
278.7045
4
玻璃 B-797.442
（1）平板和数： （2）双胶合规化值： （3）选择玻璃对： （4）放缩后的半径：
优化前： 数据编辑
2D光路图 2D点列图
优化后： 数据编辑
2D光路图
2D点列图
例如选取了QK3-F3玻璃对，查表有： 由于相对孔径较小，允许P0误差大些。 5.求透镜组的半径： （1）求Q: 由公式 （2）求半径: ,
, , （3）求放缩半径：以上求得半径对应的情况，为求得半径为的情况， 上式对应的实际半径应乘： 6.确定厚度： 透镜厚度除了与半径大小，还得考虑透镜固定的方法、质量要求和加 工难易程度等。参考《光学设计手册》的相关规定，用实际作图可 得： 整个物镜的参数为：
, 4）求 冕牌玻璃在前：
4. 查表，选玻璃对。 查表的步骤一般是根据要求的值用插值法求出不同玻璃 组合的P0
值，如果与要求的P0值之差在一定公差范围内，这样的玻璃就能满足要 求。对一般双胶合物镜P0值的公差大约在1.0 左右。相对孔径越小，P0 值允许的误差越大，因为它对P的影响就越小。通常可以在表中查到若 干对玻璃能满足P0、的要求，然后再在这些玻璃对中进行挑选。挑选的 原则是要求玻璃的化学稳定性和工艺性好、球面的半径大，以便于加 工。一般Q0绝对值比较小、两种玻璃n值相差比较大的玻璃，球面半径 比较大。根据这些要求，就可以从表中查到几对较好的玻璃组合，找到 P0、Q0、W0。
3、双胶合物镜像差 双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。
（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0） （1）根据SI,求C并规划成进行规化后： ，所以 求规划后的，根据公式：
（2）求P、W： 由初级相差和数：得到 由公式：,由于， 所以
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光学设计双胶合透镜实验报告
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
实验二双胶合透镜
光电信息科学与工程14级２班江晓佳311400８611 一、实验目的
练习ZEMA软件使用
对软件中镜头参数优化
评价镜头的参数
二、实验内容
图像空间F数：8 光波长:ＦD C 视场：０
参数窗口：
优化前曲面参数
优化后的曲面参数及EFFＬ和TOTＲ函数:
优化前的2D图
优化后2Ｄ图
优化前MTF和极限衍射图：
优化后MTF和极限衍射图：
优化前SPT和艾里斑直径:
优化后SPT和艾里斑直径：
优化前光线像差：
优化后光线像差:
优化前视场场曲失
真:
优化后视场场曲失真：
三、实验结果
在优化前,镜头调制函数曲线与极限衍射曲线有一定的差距，弥散斑也较为分散,场区较大,镜头波长像差有较大差值。
在优化之后,镜头的成像质量有了明显的改善，通过上下对比可以得出,其中看MTＦ和极限衍射图效果最为明显，在优化后更加接近极限衍射曲线,因为优化后的镜头成像质量更高,这就说明优化已经成功。
四、实验总结
本次实现让我能够更加熟练的使用ZＥMAX软件，认识到理论与实践必须相结合的学习方法,同时学习到软件中的优化镜头的功能。