双胶合望远物镜设计(精)

目录

一、前言 (7)

二、ZEMAX 仿真 (9)

三、设计优化 (17)

四、数据比较和优化后参数 (21)

五、设计心得体会 (24)

六、参考文献 (25)

评分表附表 (26)

一前言

光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学1900 年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。所以光学是一个相当有用的学科。

本次设计采用ZEMAX 光学设计软件。ZEMAX 是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序。ZEMAX 的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。大部分ZEMAX 的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。

二ZEMAX 仿真

一、本次设计要求如下：

1.焦距为100mm；

2.波长为0.6328um;

3.光源为无穷远处;

4.像空间F/﹟=4

5.前一块玻璃为BAK1,后一块玻璃为F3

先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径, 镜头单位，视场，和波长。

(1)修改系统设定。

首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl 为100mm，像空间F/ ﹟=4 。

由公式，得物方孔径EPD 约等于25。

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择25，单位毫米。

(2)视场设定。

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0, 0), (0, 3) 和(0, 5)

第三步，波长设定

在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长0.6328um，单击确定完成配置

系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。单透镜由两个面组成（前面和后面），物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中。当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面（或一个）。移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。屏幕

显示可以从左到右或从与右到左滚动。”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。

首先，添加镜面，设计要求双镜头，所以添加3 个镜面，在镜面编辑窗口中选择编辑＞插入曲面。

曲面插入完毕，即可向镜头数据编辑窗口写入镜头数据。设计要求第一块镜面材料BAK1第二块镜面材料为F3。在glass 窗口中写入材料的类型。

完成后在Thickness 栏中填入玻璃厚度。

最后使用求解去执行设计约束，设置像空间F/# 为恒定值4。如下图：

接下来，分析. 优化前的系统性能。

选择分析＞草图＞2D草图，将出现2D草图LAYOU。T

点击“生成DXF文件”按钮将产生一个2D DXF 文件，并将它存储起来。它的文件名用“ DXF 文件”处输入的文件名确定。DXF文件是由弧和线组成，弧用来显示镜头面的曲率。如果是只使用球面（或平面）的透镜，那么弧可以完全的表示镜头。但是，弧只能近似的表示非球面。如果面是非球面，那么弧只有在顶点，最高点和最低点是正确的。ZEMAX在这三个地方用适合的弧表示确切的面。若光

线未能射入到一个面，那么在发生该错误的面光线不画出。如够光线发生全反射，那么在发生全反射的面入射的光线画出，出射的光线不画出。

选择分析＞点列图＞标准，将出现标准点列图Spot Diagram 。光线密度有一个依据视场数目，规定的波长数目和可利用的内存的最大值。离焦点列图将追迹标准点列图最大值光线数目的一半光线。列在曲线上的每个视场点的GEO点尺寸是参考点（参考点可以是主波长的主光线，所有被追迹的光线的重心，或点集的中点）到距离参考点最远的光线的距离。换句话将，GEO点尺寸是由包围了所有光线交点的以参考点为中心的圆的半径。

RMS点尺寸是径向尺寸的均方根。先把每条光线和参考点之间的距离的平方，求出所有光线的平均值，然后取平方根。点列图的RMS尺寸取决于每一根光线，因而它给出光线扩散的粗略概念。

GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。艾利圆环的半径是1.22 乘以主波长乘以系统的F/# ，它通常依赖于视场的位置和光瞳的方