双胶合薄透镜组消色差!!!
消色差胶合透镜原理
消色差胶合透镜原理小伙伴们！今天咱们来聊聊一个超有趣的光学小玩意儿——消色差胶合透镜。
这东西可神奇啦，就像是光学世界里的一个小魔法师。
咱们先得知道为啥会有消色差这么个需求呢。
你看啊，普通的透镜在折射光线的时候，就像一个调皮的小孩，对不同颜色的光有不同的态度。
白色的光其实是由好多不同颜色的光混合起来的，像彩虹里的红橙黄绿青蓝紫。
当光线通过一个普通透镜的时候，这些不同颜色的光就会走不同的路线，结果就是成像的时候会有彩色的边缘，就像照片被人胡乱涂鸦了一样，这可不好看，也不准确呀。
那消色差胶合透镜是怎么解决这个问题的呢？这就像是两个小伙伴合作来搞定这个调皮的光线。
消色差胶合透镜是由两块不同材料的透镜胶合在一起组成的。
这两块透镜就像性格互补的好朋友。
一种材料的透镜对蓝光折射得比较厉害，另一种材料的透镜呢，对红光折射得比较厉害。
当它们胶合在一起的时候，就会产生一种奇妙的平衡。
想象一下，蓝光本来在一个透镜里被过度弯曲了，但是另一个透镜就像一个小卫士，把蓝光拉回来一点；红光呢，在一个透镜里可能没被弯曲够，另一个透镜就再推它一把。
这样，不同颜色的光就能够差不多汇聚到同一个点上啦。
就好比一群乱跑的小动物，本来各跑各的，现在被两个聪明的小牧羊人合作着赶到了同一个羊圈里。
这两块透镜胶合的过程也很有意思呢。
就像是给它们举行了一场小小的“结婚仪式”，让它们紧紧地结合在一起，从此共同承担起让光线听话的任务。
而且这两种材料的选择也是很有讲究的。
就像挑选衣服一样，得找到最适合彼此的。
比如说，一种材料可能是冕牌玻璃，另一种可能是火石玻璃。
它们各自的光学特性就像是各自的小秘密，但是当它们组合在一起的时候，这些小秘密就变成了让光线乖乖听话的魔法咒语。
消色差胶合透镜在我们的生活里可发挥了大作用呢。
在望远镜里，它能让我们看到的星星更加清晰，没有那些讨厌的彩色光晕。
就像我们的眼睛戴上了一副超级精准的眼镜，可以把遥远星空的美景看得清清楚楚。
在显微镜里也是一样的道理，那些微小的细胞和微生物，在消色差胶合透镜的帮助下，能够以最真实的面貌呈现在我们眼前，不会因为颜色的错乱而让我们误解它们的结构。
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例引言：Petzval物镜，它是由两个被空气分离的正透镜组构成。
1839年Joseph Petzval 设计了这个著名的“照相物镜”。
其前组是一个双胶合，后组是一个双分离，两者之间有一个光圈。
前组可以很好地校正球差，但会引入彗差。
彗差由后组校正，光阑位置校正了大部分像散。
然而，这会导致额外的场曲和晕影。
因此，FOV限制在30度以内。
f/3.6的f值是可以实现的，这比当时的其他镜头要快得多。
Petzval首次根据光学定律计算透镜的组成，而之前的光学系统则是根据经验进行磨制和抛光的。
为了计算，奥地利大公路易（炮兵司令）向匹兹瓦提供了8名炮兵和3名下士，因为火炮是进行数学计算的少数职业之一。
1.Seidel分析双片式物镜的局限性在于单组元件无法校正像散，这大大限制了它的视场角范围。
在光阑上的薄透镜组的像散为：即其总是不为零。
因此，只有一些透镜组不在光阑上，才能校正像散。
因此，两个分离的透镜组可以用于产生等量反向的像散。
这两个透镜组不一定是单透镜，也可以是消色差双片式或者更复杂的透镜组。
若我们假设光阑在第一个透镜组上，第二个透镜组和它相距一段距离，那么会有光阑平移效应。
只要第二个透镜组没有完全校正球差和彗差，那么平移第二个透镜组远离光阑一定距离，就可以产生足够的像散来校正第一个透镜组的像散。
我们可以得到任意的一个像散值S3，但是两个正透镜组都会对场曲产生贡献，即Petzval 物镜的 Petzval 和总是正值。
这意味着像面总是朝向镜头弯曲。
通常，我们想要零像散，则让总的S3为零，场曲会使子午和弧矢像重合于弯曲的像面上。
但是，还有其他选择，由弧矢像差，只要S3=-S4，我们就可以使弧矢像面为平面。
而且，若让S3=-S4/3，则就可以使子午像面为平面。
在设计 Petzval 镜头中有一个很好的准则，那就是让前组(A)的光焦度为K /2，后组（B）的光焦度为K，为保证总光焦度为K，让它们之间的距离为1/K。
两个透镜消除色差的方法
两个透镜消除色差的方法引言透镜是一种常见的光学元件，广泛应用于相机、望远镜等设备中。
然而，由于透镜折射率随光波长的变化而变化，常常会引起色差问题，即不同波长的光通过透镜后会发生不同程度的偏折，导致图像模糊、色彩失真等。
为解决这一问题，科学家们提出了多种方法来消除色差。
本文将介绍两个常用的透镜消除色差的方法。
方法一：双透镜组合1.理论基础双透镜组合是一种常见的消除色差的方法，它利用两个不同材质的透镜组合来抵消色差的效应。
其中，正透镜用于纠正蓝光的散焦问题，负透镜则用于纠正红光的散焦问题。
通过精确控制透镜的形状、曲率和材质，可以实现对不同波长光的精确调节，从而消除色差。
2.工艺实现为了实现双透镜组合消除色差的效果，需要严格控制透镜的制造工艺和参数。
首先，需要选择合适的透镜材料，例如，对于正透镜可以选择具有较高折射率的材料，而对于负透镜则需要选择具有较低折射率的材料。
其次，需要精确切削透镜的形状和曲率，以使得两个透镜之间的光程差能够达到理想的消色差效果。
最后，需要进行光学涂层处理，以减少透镜表面反射和散射，提高光的透过率和清晰度。
3.应用领域双透镜组合消色差的方法广泛应用于摄影镜头、望远镜、显微镜等光学仪器中。
通过精确的透镜设计和制造工艺，可以大大提升图像的清晰度和色彩还原能力，使得用户能够获得更加真实、细致的观测体验。
方法二：折光棱镜1.理论基础折光棱镜是一种利用透镜形状和材质的差异来消除色差的方法。
它通过将入射光分成不同波长的光线，并使它们以不同的路径通过透镜，从而达到消除色差的效果。
折光棱镜可以根据光的折射率差异将不同波长的光线分离出来，使得它们被分别聚焦在不同位置上，从而消除色差。
2.工艺实现为了实现折光棱镜消除色差的效果，需要进行精确的透镜设计和制造。
首先，需要选择合适的透镜材料，以使得不同波长的光在透镜中的折射率差异达到理想的效果。
其次，需要设计适当的透镜形状和曲率，以使得不同波长的光线在透镜内部按照所需的路径进行折射。
光学设计—目镜11-28
四、消象差谱线
因为目镜是目视光学仪器旳一种构成部分，所以与物镜一样，采用 F 光和C 光消色差，对D光或e光校正单色像差。
五、目镜旳像差计算
在设计目镜时，一般按反方向光路进行设计，如下图所示。假定物体
位于无限远，入射光瞳在目镜旳前方，在它旳焦平面 F目上计算像差
一、简朴目镜
目镜旳作用是将物镜所成旳像（位于目镜旳前焦平面上）放大并出射 平行光，供人旳眼睛观察。单个透镜是最简朴旳实际光学系统，它能 够使得平行光束成像在后焦平面上，根据光路旳可逆性，一种单透镜 就可能是目镜。平凸形单透镜能同步校正像散和彗差，也能够满足出 瞳远离透镜组旳要求。所以单个平凸透镜就是可能旳最简朴旳目镜构 造。
假如场镜位于物镜后焦平面（整个目镜前焦平面）旳背面，如图下图 所示，称为冉斯登目镜。场镜旳安装方向采用平面对着物方焦面，所 以采用这么安顿旳理由是因为入射主光线和光轴旳夹角很小，所以在 平面上近似垂直入射， 没有像散和彗差，而对第二面来说，物平面 位于球面旳球心和顶点之间，根据单个折射球面像差旳符号能够懂得 ，它产生正球差和正像散，它所产生旳正像散能够部分地补偿目镜旳 负场曲，这对改善整个视场内目镜旳像质是有利旳。
四、辨别率相适应
视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径，即不不大于0.006mm。
视角鉴别率 满足 下式 ：
tan 0.006 206265
f
，应使仪器本身由衍射决定旳辨别能力与眼睛旳视角辨别率相适应， 即光学系统旳放大率和被观察物体所需要旳辨别率旳乘积应等于眼睛 旳辨别率。
一、初级像差校正要求
目镜旳入射光瞳一般位于前方旳物镜上，而出射光瞳则位于后方旳一 定距离上，所以目镜旳成像光束，必然伴随视场角旳增长而远离透镜 组旳光轴，使目镜旳透镜直径和它旳焦距比较起来相当大，给像差校 正带来困难。
消色差透镜分析实验
消色差透镜分析实验消色差双合透镜分析设计实验1，实验目的掌握zemax光学设计软件，能设计和模拟光学器件，了解各种光学设计的基本分析原理，了解像差的基本概念和意义2，实验内容设计了一种用于校正球差的消色差双合透镜作为望远镜物镜R=10厘米，c1=0.002957厘米-1，c2=-0.020184厘米-1，c3=-0.00771厘米-1厚度t1=1.9厘米，t2=1.3厘米玻璃选择:第一个透镜为BaK1 (1.5725，57.55)，第一个透镜为BaSF2 (1.66446，35.83)如图所示3，实验仪器计算机，自由空间光学系统设计软件Zemax4。
实验原理几何光学设计主要利用光线追迹来分析光在光学系统中的传输路径系统的一些基本参数，如焦距、孔径、入射光瞳、出射光瞳、入射窗和出射窗，可以用光线追迹法确定。
系统的像差也可以用光线追迹法进行分析。
5，实验步骤步骤1:创建一个设计，创建一个新文件，并保存它步骤2:系统参数设置1将单位设置为毫米，入瞳半径设置为100毫米方法:系统概述下图2设计计算视场，设置两个视场。
这个系统的视野影响很小，因为物体在无穷远处。
方法:系统字段下图步骤3:将输入三个面，如图所示插入光学表面的方法是:编辑-插入表面或编辑-插入后在编辑透镜数据后，可以通过分析-布局-2D布局查看透镜的光学结构第4步:系统参数计算系统数据计算方法:报表-系统数据结果通常如下图所示我们记录了几个数据:EFL，BFL，入瞳直径，出瞳位置和直径射线轨迹数据计算方法:分析-计算-射线轨迹我们只看近轴光数据，一般如下图所示步骤5:成像质量分析执行以下模拟，并对结果进行适当的分析1图像场弯曲/失真的计算？细光束亚矢状弯曲xS？表达两者的区别在于像场弯曲通常使用细光束经向弯曲xT？？xT？？xS？叫做散光xTS？？0表示没有散光xTS计算图像场弯曲/失真的步骤是:分析-混合-场曲线/距离在该图中，横坐标是像散值，纵坐标是图像视场。
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。
双胶合透镜
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。
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。
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。
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，eport显示第一 个边缘厚度变成一个负数。
其它设计因素
可是我们凭经验定出STO的thickness为3，但是 真正在作镜片的时候edge的thickness 值为正数 或负数?还有是不是应该改一下设计使lens的 aperture比diameter小，如此我们可预留些边缘空 间来磨光或架镜? 我们可以通过考虑这些因素来提高设计。
双胶合薄透镜组消色差!!!
Chapter 6 光路计算及像差
子午慧差的计算
K
ya yb / 2 y KT z
Chapter 6 光路计算及像差
弧矢慧差的计算
K
YC YZ KS
Chapter 6 光路计算及像差
孔径光阑的位置对彗差的影响
A
C a z b
B
入瞳设在球心处，球面不产生彗差；
§6.2.1球差的定义与表示方法
Chapter 6 光路计算及像差
§6.2 轴上点的球差(spherical aberration )
§7.2.1球差的定义与表示方法
轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射 高度h(U) 的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点(理想像点)有不向 程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差.用 L 表示
得
nu sin U L nu sin UL L sin U L sin U ni
let S 2L sin U L sin U ni, then we ha ve
Chapter 6 光路计算及像差 §6.2.3 单折射球面的球差和球差分布公式
L
H L sin U , G L sin U
Chapter 6 光路计算及像差 §67.2.3 单折射球面的球差和球差分布公式
H L sin U , G L sin U
G ( L l ) sin U H l sin U
sin I Lr sin U , r
i l r u r
n n n n L r , L r n n
以上三对不产生像差的共轭点为不晕点或齐明点。
Chapter 6 光路计算及像差 对于整个系统中的每一面写出公式
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Chapter 6 光路计算及像差 §6.2.3 单折射球面的球差和球差分布公式 通过对整个光学系统近轴光路和实际光路的计算，可以求得该系统 各个孔径带上的球差值。但在这个计算过程中、不能获知系统中各个面 对球差的贡献大小、正负和性质。
为得出一般的表示式，假设某一面的物方已有球差。分别 从球面的顶点O和近轴物点A0, 作子午光线的垂线．其长度为
H L sin U , G L sin U
Chapter 6 光路计算及像差 §67.2.3 单折射球面的球差和球差分布公式
H L sin U , G L sin U
G ( L l ) sin U H l sin U
sin I Lr sin U , r
i l r u r
工程光学
Engineering Optics
郭 峰
青岛理工大学 机械工程学院
Chapter 6 光路计算及像差
第六章 光路计算及像差理论
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 §6.5 §6.6 光路计算 轴上点的球差 正弦差和慧差 场曲和像散 畸变 色差
Chapter 6 光路计算及像差
§6.2 轴上点的球差
得
nu sin U L nu sin UL L sin U L sin U ni
h lu
u
h H i, sin U sin I r r
Chapter 6 光路计算及像差 §6.2.3 单折射球面的球差和球差分布公式
G H l sin U
对于像方
Gnu hn sin I Hni
Gn u hn sin I H ni
两式相减，并考虑 H L sin U , G L sin U , H l sin U , G L sin U
球差是入射高度h1或孔径角U1的函数，球差随h1或U1变化的规律可以用 幂级数表示。注意是偶函数-表示对称性
2 4 6 L A1h1 A2 h1 A3 h1 ...... 2 4 6 L a U a U a U 1 1 2 1 3 1 .....
2 4 A1hm Lm A2hm 0
当边缘带的校正球差, 即h = hm, L’ = 0 则
2 A1 A2hm
A h h A2 h Lm
2 2 m 2
4
1 h hm 2
当边缘带球差为零, 当入射高度为0.707 hm, 球差最大
4 L0.707 A2 hm 4
§6.2.1球差的定义与表示方法
Chapter 6 光路计算及像差
§6.2 轴上点的球差(spherical aberration )
§7.2.1球差的定义与表示方法
轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射 高度h(U) 的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点(理想像点)有不向 程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差.用 差 §6.2.1球差的定义与表示方法
2 4 6 L A1h1 A2 h1 A3 h1 ...... 2 4 6 L a U a U a U 1 1 2 1 3 1 .....
展开式中第一项称为初级球差，第二项为二级球差，第三项为三 级球差。二级以上球差称为高级球差。大部分光学系统二级以上的球差 很小，可以忽略，故球差可以表示为：
L L l
Chapter 6 光路计算及像差 §6.2.1球差的定义与表示方法 出于球差的存在，在高斯像面上的像 点已不是一个点，而是一个圆形的弥散斑， 弥散斑的半径用T ’表示，称作垂轴球 差，它与轴向球差的关系是
T L tgU ( L l ) tgU
小程度。这种减小单个透镜球差的方法叫 配曲法。可以证明 , 当透镜的 曲率比 rl/r2 为
r1 4 n 2n 2 r2 n1 2n
此时,球差最小.
Chapter 6 光路计算及像差
球差是孔径的偶次方函数，因此．校正球差只能使某带的球差为零。如果 通过改变结构参数．使球差公式中初级球差系数A1和高级球差系数A2符号相 反，并具有一定比例，使某带的初级球差和高级球差大小相等，符号相反，则 该带的球差为零。在实际设计光学系统时，常通过使初级球差与高级球差相补 偿，将边缘带的球差校正到零(h = hm)，即
2 4 L A1h1 A2 h1 2 4 L a1U1 a2U1
由此可知，初级球差与孔径的平方成正比，二级球差与孔径的4次方成正 比。当孔径较小时，主要存在初级球差；孔径较大时，高级球差增大。
Chapter 6 光路计算及像差 §6.2.2 球差的校正 如果把单正透镜和负透镜分别看作由无数个不同楔角的光楔组成， 则由光楔的偏向角公式 =(n—1) 可知，对于单正透镜，边缘光线 的偏向角比靠近光轴光线的偏向角大，换句话说，边缘光线的像方截 距L’ 比近轴光线的像方截距 l ’ 小。根据球差的定义，单正透镜产生 负球差。同理, 对于单负透镜，边缘光线的偏向角比近轴光线的偏向 角大，单负透镜产生正球差。因此， 对于共轴球面系统，单透镜本身不能校正球差，正、负透镜组合 则有可能校正球差.
Chapter 6 光路计算及像差
§6.2.2 球差的校正
由于凸透镜和凹透镜的球差有相反 的符号 , 所以将它们适当组合起来 , 便可以减小球 差。
Graded Index
Chapter 6 光路计算及像差
透镜的轴向球差与透镜的折射率n和两个球面半径r1 ,r2 有关 , 透镜的 焦距 f 也 是 n, r1 ,r2 的函数 , 对给定的 n, 同样焦距的透镜可以有不同的 曲率比 rl/r2, 适当选择此比值 , 即适当改变透镜的形状 , 以使球差减到最