光学设计透镜设计的入门课程

光学设计透镜设计的入门课程
光学设计透镜设计的入门课程

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第一章

1.1 说明

1.1.1 为什么要进行透镜设计?

透镜设计曾经是一项只被少数的专业人员所继承的技术。他们主要利用公司专利的光学设计和在大型昂贵的主计算机上运行的分析软件。今天,有了快速有效的商业设计软件和功能强大的个人电脑,透镜设计工具可以进入普通的光学工程领域。因此,一些透镜设计方面的基本技术被预计会有一个更宽广的应用范围,目前一些雇主正在他们的产品上使用光学器件。所以,透镜设计是一个完善的光学教育的重要组成,也是企业雇用光学工程师的技术评价。

1.1.2 课程种类

这是研一水平的透镜设计的入门课程。它是一门很难的,以实际动手为方向的课程。几何光学的应用知识(例如Hecht和Zajac编写的《Optical》和Jenkins和White编写的《Fundamentals of Optical》里所介绍的)假定你已经掌握了。照相透镜将构成课程的基本脉络。我们将紧跟历史的发展(从很简单到非常复杂的系统,它也是有一致性的)。规定使用的软件是ZEMAX,学生必须在电脑上运行ZEMAX。所需要的数学水平并不深,代数,三角学,几何(平面几何和解析几何),以及一些微积分知识。参考书籍的列表在附录A。

1.1.3 需要的技术

这个课程会提供给你三个基本技巧:入门指南,设计规则,基本定律。入门技巧包括第一和第三级的手工计算和薄透镜的预先设计。(分析技巧在图1.1 中有所说明)。规则技巧包括命令输入,变量选择,评价函数的建立和优化,以及设计分析。设计的基本定律包括理解具体规则,选择起始点,发展着手操作的计划。

已知:

1.曲率

2.厚度

3.折射率

4.光瞳尺寸和位置。

5.视场角

所使用的:

图1.1 已经获得的入门技巧的汇总1.近轴光线轨迹方程

2.塞德尔象差公式

要求出的:

一级

有效焦距和后焦距

F数

像的位置

像的大小

主平面位置

顶点和主平面之间的距离

入瞳大小和位置

出瞳大小和位置

拉格朗日不变量

轴向和横向色差

三级

球差

最小弥散斑的位置和大小

彗差

象散

内部焦点的位置和大小

匹兹凡场曲

畸变

波前变化

斯托列尔比

所需要的二次曲线常数

图1.2 两个给出相同图像尺寸但是不同质量的透镜

1.2 基本结构设定

1.2.1 对比说明

考虑一下图1.2 中的两个光学系统。看上去两个系统都有相同的物距,相同的焦距(所以像的大小也相同)。系统a很简单,而系统b复杂。如果两个系统产生相同的像大小,为什么不使用更简单的系统呢?为什么系统b有额外的透镜?除了像的尺寸,我们假定你想要在平面记录格式下的,好的,均匀的,亮度一致的像,它要充满整个视场。系统b可以给与你这一切,但是系统a则不行。后一个的像之所以质量差的原因是没有完全校正:1.色差

2.球差

3.离轴像差

4.场曲

系统b里面的额外透镜是由不同种类的玻璃制成来校正色差的。玻璃的曲率和厚度,以及它们之间的空气间距帮助校正视场上像差。其结果就是在平面记录表面(它有可能是底片或者CCD)上呈现高质量的图像。

1.2.2 像差和像

图1.3 a显示的是分辨率测试板通过“理想”光学系统所成的像。像只是物不同比例的版本。

图1.3 分辨率测试板完善像(a),差的点源像(b)

图1.4 与斑点像卷积所引起的分辨率测试板像的退化

在图1.3 b里我们有一个点源,它通过一个不完善的光学系统成像。最后结果的图像是一个模糊的斑点,而不是一个点。如果我们现在合成两个图像,换句话说我们可以想象成分辨率测试板经由一个不完善的光学系统成像,像的质量很差,如图1.4里所示。实际上,我们已经从根本上用图1.3 b中的斑点像替换了图1.3 a中所有的成像点。

1.2.3 透镜的大小和视场

基本上来说,使得成像质量退化的有像差的点像,是由非线性的斯涅尔法则所引起的。当标准光学表面上的入射光的角度开始增大时,像差就产生了。对于给定的曲率,它可以在两种方式下产生。对于与光轴平行的光线,就如图1.5 a和b所示,入射角度的增加也就使光线高度的增加(从图1.5 a的3.5°到图1.5 b中的17°)。如果光线来自不同视场角,但是到达相同高度,那么入射角会有所增加(如图1.5所显示的,上部光线从a的3.5°到c 的23°)。当两种情况同时发生时,入射角甚至会变得更大(从图1.5 a的3.5°到图1.5 d 中的37°)。对于c和d的下部光线,入射角是有所减小的。下部和上部光线之间的不对称就会表示为离轴像差。

图1.5 随着光线高度和视场角改变的入射角

当一个系统的F数减少,视场角(还有光谱带宽)增加时,(需要保持好的成像质量的)光学系统的复杂性也会增加。图1.6 显示的是作为(x轴)F数和(x轴)视场角函数的光学系统类型的性质图。对于f/10,1/4°视场的条件,一个简单的抛物面镜就足够了。然而,对于f/2,视场为20°的情况,就要使用六片双高斯反射镜。

图1.6图上显示的是对于各种孔径和视场组合通常所使用的设计种类。(引自W.Smith,现代透镜设计(McGraw-Hill,1992),McGraw-Hill公司许可下再版)

1.2.4 技术指标

在任何设计开始之前,设计者必须对用户的需求有一个很清晰的了解。这不是像看起来那么简单。当客户还不确定他的需要时,不要急于动手。否则,这会导致在设计工作已经开始之后,我们所不期望的技术指标的改变。在这种情况下,设计者应该在帮助客户具体化他的需要时扮演一个积极的角色。另外一个极端就是过度的技术指标。这样,客户会给与设计以不切实际的制约。例如,公差超过了当前的加工和测量能力。因此设计者必须与客户相结合最后得出实际的技术要求。

视场分布依赖于光学系统的底版大小和有效焦距(EFL)。举个例子,底版大小可以由使用的35mm的底片或者8×6mm的CCD芯片来确定。客户可以说出要多大的的外部物方空间或者安装到给定底版上的镜头大小。这可以定义一个确定的视场和视场角,随后会得出有效焦

距。

图1.7 依赖于有效焦距的底版大小和视场分布

图1.8 越小的F数意味着越大的光学直径

图1.7显示了,对于一个给定的镜头或者角面积,两个不同的有效焦距所需要的底版尺寸。半视场角由底版角得出。

所使用的镜头在一定的辐射度范围内才会有效。这会帮助你定义目标F数范围。例如,有云天气下的F数要小于阳光充足下的所使用的F数。图1.8 表现了单透镜的有效直径和F 数之间的关系。

另外一个重要的技术指标就是分辨率。对于一个给定的镜头,我们希望看清多少细节呢?分辨率通常给出的定义就是每毫米的线对数。举个例子,100lp/mm比起50lp/mm来说,是一个更大的设计挑战。空中分辨率(例如,空气中的目标成像的细节总数)和系统分辨率(它受制于传感器的局限性)之间也有一定区别。例如。黑白的Tri-X底片的分辨率要比Pan-X的分辨率差,因为前者的银卤化物颗粒尺寸要更大。

分辨率规定为整个底版的平均值,或者某些场点上给定的具体目标。当视场角增加,F 数减小,分辨率需要增加时,这个设计任务变得更难了。

探测器只对一定的颜色范围敏感,因此下一个重要的技术指标涉及到光谱的宽度和位置。单色设计或者颜色不是很主要的设计通常比多色设计简单。当多色设计带宽增加时,设计任务机就会变得有一定难度。如果带宽的位置位于可见光谱之外设计工作就会变得更难。这种情况下只有少数的几种可选材料能用来作为色差校正。

上面所提到的是最为重要的几个技术指标。然而,在设计中还有一些其它的制约因素。他们是体积,外包装,和/或重量的约束。有一些制约因素是在光学系统运行时的环境热量所施加的。大气和海洋的压力也可能成为制约因素。还有操作环境的湿度(或含盐度)施加于玻璃的选择上的约束。

最后,还有加工,调准,监测和成本的约束。用球面设计折射系统比非球面的更可取。因为后者难于加工和检测,因此成本更高。你不能设计一个公差小到不可能制造的系统。另外,小的公差会增加加工,装配,和测量的成本。如果可能的话,你应该避免系统难于调准;例如,离轴系统要比同轴系统更难调准。他们也更难检测。你将发现你不得不在客户想要的和他能提供的之间找到一个折中。

1.3 课后作业

根据图1.9 中所提供的信息,得出:

a.有效焦距(EFL),

b.透镜的光焦度Φ,

c.C

1和C

2

的表面曲率(假设凸透镜),

d.R1和R2的曲率半径,

e.底版大小(假设为正方形),

f.艾里斑半径

注意:这个透镜可以看作是薄透镜。

图1.9 课后作业图

工程光学设计

摘要 摘要:设计三片库克照相物镜,给出三片镜子的结构参数按照设计要求合理设计。近轴光路追迹求出设计系统的焦距和后焦距。然后利用zemax光学设计软件仿真验证设计结果。 关键词:照相物镜;光学设计 设计要求: 设计要求:采用三片库克(cookie)结构,D/f=1/5,半像面尺寸:18mm 半视场角:20°设计波长:0.486um、0.587um、0.656um,口径D:10mm 计算:系统焦距f,,后焦距(BFL) 第一章绪论 我们设计光学系统采用光线模型方法,即利用几何光学和光学工程中涉及到的基本方法、基本公式设计三片库克照相物镜。利用光线模型设计光学系统是非常重要的方法。曾经有位美国学者在回答有关光线和波动理论应用问题时,睿智的说;“你用光线理论设计照相机镜头,尽管是近视理论,但你用一个星期可以完成;然而你若用衍射理论设计照相机镜头,虽然你用的理论很严格,也去你一辈子才能设计出一个镜头。”可见用几何光学和工程光学中的光线模型设计光学系统是多么的重要。而近轴光线的追迹公式又是利用光线理论设计光学系统的基础。 根据近轴光学公式的性质,它只能适用于近轴区域,但是实际使用的光学仪器,无论是成像物体的大小,或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。 这样看来,研究近轴光学似乎没有很大的实际意义。但是事实上近轴光学的应用并不仅限于近轴区域内,对于超出近轴区域的物体,仍然可以使用近轴光学公式来计算平面的位置和像的大小。也就是说把近轴光学公式扩大应用到任意空间。对于近轴区域以外的物体,应用近轴光学公式计算出来的像也是很有意义的: 第一,作为衡量实际光学系统成像质量的标准。根据共轴理想光学系统的成像性质:一个物点对应一个像点;垂直于光轴的共轭面上放大率相同。如果实际共轴球面系统的成像符合理想则该理想像的位置和大小必然和用近轴光学公式计算所得结果相同。因为它们代表了实际近轴光线的像面位置和放大率。如果光学系统成像不符合理想,当然就不会和近轴光学公式计算出的结果一致。二者间的差异显然就是该实际光学系统的成像性质和理想像间的误差。也就是说,可以用它作为衡量该实际光学系统成像质量的指标。因此,通常我们把用近轴光学公式计算出来的像,称为实际光学系统的理想像。 第二,用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。在设计光学系统或者分析光学系统的工作原理时,往往首先需要近似地确定像的位置的大小。能够满足实际使用要求的光学系统,它所成的像应该近似地符合理想。也就是说,它所成的像应该是比较清晰的,并且物像大体是相似的。所以,可以用近轴光学公式计算出来的理想像的位置和大小,近似地代表实际光学系统所成像的位置和大小。由此可见近轴光学系统具有重要的实际意义,它在今后的研究光学系统的成像原理时经常用到。

扬大工程光学课程设计20140412

工程光学课程设计 班级 学号 姓名 一、目的 了解光学系统外形尺寸计算在光学系统设计中的作用,学习和掌握外形尺寸计算的内容和一般方法。根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。 外形尺寸计算基本要求: 第一,系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置; 第二,几何尺寸,即光学系统的轴向和径向尺寸,整体结构的布局; 第三,成像质量、视场、孔径的权重。 二、要求 对题中所涉及的光学系统 ⑴按照工作原理正确作出光路图并能正确描述; ⑵完整叙述及列举计算的过程,步骤要详细不能省略中间中程; ⑶完成设计报告 三、内容 (一)只包括物镜和目镜的望远系统 计算一个镜筒长L=f1′+f2′=200+(学号最后两位)mm,放大率Γ= -24+(学号最后一位),视场角2ω=1°40′的刻普勒望远镜的外形尺寸。 1、求物镜和目镜的焦距;

图1只包括物镜和目镜的望远系统结构图 2、求物镜的通光孔径D1。可根据望远系统的有效放大率求出D1。 3、求出瞳直径D1’; 4、视场光阑的直径D3; 5、目镜的视场角2ω′; 6、求出瞳距lz′; 7、求目镜的口径D2; 8、目镜的视度调节(目镜相对视场光阑的移动量x); 9、选取物镜和目镜的结构。 (二)带有棱镜转像系统的望远镜 双筒棱镜望远镜设计,采用普罗I型棱镜转像,系统要求为: 1、望远镜的放大率Γ=8倍; 2、物镜的相对孔径D/f′=1:4(D为入瞳直径,D=30mm); 3、望远镜的视场角2ω=10°; 4、仪器总长度在110mm左右,视场边缘允许50%的渐晕; 5、棱镜最后一面到分划板的距离 14mm,棱镜采用K9玻璃,两棱镜间隔为2~5mm。 6、lz′=8~10mm 要求计算棱镜转像望远镜的各类尺寸

光学课程设计 光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真

西安邮电大学 光学报告 学院:电子工程 学生姓名: 专业名称:光信息科学与技术班级:光信1103班

光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真 一、课程设计目的 1.掌握反射系数及透射系数的概念; 2.掌握反射光与透射光振幅和相位的变化规律; 3.掌握布儒斯特角和全反射临界角的概念。 二、任务与要求 对n1=1、n2=及n1=、n2=1的两种情况下,分别计算反射光与透射光振幅和相位的变化,绘出变化曲线并总结规律 三、课程设计原理 根据麦克斯韦电磁理论,利用电矢量和磁矢量来分析光波在两介质表面的反射特性,把平面光波的入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量:一个平行于入射角,另一个垂直于入射角,对平面光波在电介质表面的反射和折射进行分析,推导了菲涅尔公式,并结合MATLAB研究光波从光疏介质进入光密介质,以及光波从光密介质进入光疏介质时的反射率、透射率、相位等随入射角度的变换关系。同时对光波在不同介质中传播时的特性变化进行仿真研究,根据仿真结果分析了布鲁斯特角、全反射现象及相位变化的特点。有关各量的平行分量与垂直分量依次用指标p和s来表示,s分量、p分量和传播方向三者构成右螺旋关系。 假设界面上的入射光,反射光和折射光同相位,根据电磁场的边界条件及S分量,P分量的正方向规定,可得Eis+Ers=Ets. 由着名的菲涅耳公式: rs=E0rs/E0is=-(tanθ1-tanθ2)/(tanθ1+tanθ2); rp=E0rp/E0ip=(sin2θ1-sin2θ2)/ (sin2θ1+sin2θ2); ts=E0ts/E0is=2n1cosθ1/n1cosθ1+n2cosθ2; tp=E0tp/E0ip=2n1cosθ1/n2cosθ1+n1cosθ2;

工程光学课程设计.

实习报告 实习名称:工程光学课程设计院系名称:电气与信息工程专业班级:测控12-1 学生姓名:张佳文 学号:20120461 指导教师:李静

黑龙江工程学院教务处制2014 年 2 月

工程光学课程设计任务书

目录 1摘要 ...................................................................... 错误!未定义书签。2物镜设计方案 . (1) 3物镜设计与相关参数 (2) 3.1物镜的数值孔径 (2) 3.2物镜的分辨率 (3) 3.3物镜的放大倍数 (4) 3.4物镜的鉴别能力 (4) 3.5设计要求参数确定 (4) 4 显微镜物镜光学系统仿真过程 (5) 4.1选择初始结构并设置参数 (5) 4.2自动优化 (5) 4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6) 4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7) 4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8) 4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 (10) 4.7仿真参数分析 (11) 5心得体会 (11) 6参考文献 (12)

1摘要 ZEMAX是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能,并通过直观的用户界面,为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来,研发人员对软件不断开发和完善,每年都对软件进行更新,赋予ZEMAX更为强大的功能,因而被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。 ZEMAX采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计,如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下,ZEMAX 以面作为对象来构建一个光学系统模型,每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始,按照表面的先后顺序进行追迹,追迹速度很快。许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。这种模式下,ZEMAX以物体作为对象,光线按照物理规则,沿着自然可实现的路径进行追迹,可按任意顺序入射到任意一组物体上,也可以重复入射到同一物体上,直到被物体拦截。与序列模式相比,非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。但此模式下,由于分析的光线多,计算速度较慢。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件,它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已,更是全功能的光学设计分析软件,具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点,与其它软件不同的是ZEMAX 的CAD 转文件程序都是双向的,如IGES 、STEP 、SAT 等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。 ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件,是将实际光学系统的设计概念,优化,分析,公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能,可以在实践中对所有光学系统进行设计,优化,分析,并具有容差能力,所有这些强大的功能都直观的呈现于用户光学设计程界面中。而且工作界面简单,快捷,很方便的就能找到我们想哟实现的功能,ZEMAX功能强大,速度快,灵活方便,是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 2物镜设计方案 消色差物镜(Achromatic)是较常见的一种物镜,由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成,只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差,这种物镜不能消除二级光谱,只校正黄、绿波区的球差、色差,未消除剩余色差和其他波区的球差、色差,并且像场弯曲仍很大,也就是说,只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源,或在光程中插入黄绿色滤光片。此类物镜结构简单,经济实用,常和福根目镜、校正目镜配合使用,被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时,可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差,获得对比度好的相片。消色差通常由两个分离的双胶组合透镜组成,这类物镜也称为里斯特物镜,它的倍率一般在6×至30×

工程光学课程设计

工程光学课程设计 设计名称:工程光学课程设计 院系名称: 专业班级: 学生姓名: 学号: 指导教师: XXX教务处制 20 13 年12 月

工程光学课程设计评分表 最后成绩的以优(90~100)、良(80~89)、中(70~79)、及格(60~69)和不及格(少于60分)五级给出。

第1章引言 1.1 简单介绍 对于实际的光学系统来说,它的成像往往是非完善成像,对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣,是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中,计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中,由美国焦点软件公司所发展出的光学设计ZEMAX,可做光学组件设计与照明系统的照度分析,也可建立反射,折射,绕射等光学模型,并结合优化,公差等分析功能,是可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析:提供多功能的分析图形,对话窗式的参数选择,方便分析,且可将分析图形存成图文件,例如:*.BMP, *.JPG等,且多种优化方式供使用者使用;公差分析:表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预Tolerance参数,方便使用者定义;报表输出:多种图形报表输出,可将结果存成图文件及文字文件。 但是,这里必须强调一点的是,ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件,也就是说,该软件不能教你怎么去进行光学设计,而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量所以,在应用本教程进行光学辅助设计之前,您最好先学习一下光学设计的有关知识:首先是几何光学基础,几何光学是光学设计的基础,要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理,外形尺寸计算方法,了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成。记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式,了解公式中各参数的几何意义是必要的,具体公式可参考有关光学书籍,在此就不一一介绍了。对于平面零件有平面反射镜和棱镜,它们的主要作用多为改变光路方向,使倒像成为正像,或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点:透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。其次是像差理论知识,对于一个光学系统,一般存在7种几何像差,他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外,还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识,以及一些光学工艺的知识,包括切割,粗磨,精磨,抛光和磨边,最后还有镀膜和胶合等。

光学系统设计讲义

实验一:单镜头设计(Singlet) 实验目的: 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长(wavelength)、镜头数据(lens data) 3、学习如何察看系统性能(optical performance),如ray fan,OPD,点列图(spot diagrams), MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量(variables) 5、学习如何进行优化设计(optimization) 实验仪器:微机、zemax光学设计软件 实验步骤: 1、设计一个孔径为F/4的单镜头,物在光轴上,其焦距(focal length)为100mm,波长为可见光, 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX,将出现ZEMAX的主页,然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢?它是你要 的工作场所,在LDE的扩展页上,可以输入选用的玻璃,镜片的radius,thickness,大小,位置等。 3、然后输入波长,在主菜单的system下,点击wavelengths,弹出波长数据对话框wavelength data,键入你 要的波长,在第一行输入0.486,它是以microns为单位,此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656,然后在primary wavelength上点在0.587的位置,primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics,即first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data,aperture type里选择entrance pupil,在apervalue 上键入25,然后点击ok。 5、回到LDE,可以看到3个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。OBJ就是发光物,即光源,STO 即孔径光阑aperture stop的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一面镜就是STO,若不是如此,则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片,于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane,即成像平面。回到我们的singlet,我们需要4个面(surface),于是点击IMA栏,选取insert,就在STO后面再插入一个镜片,编号为2,通常OBJ为0,STO为1,而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上,直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm,则第一镜面合理的thickness为4,在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径,在此分别选为100及-100,凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢?选analysis中的fans,然后选择其中的 Ray Aberration,将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。

光学课程设计 ——望远镜系统

望远镜系统结构设计 指导教师: 张 翔 专 业:光信息科学与技术 班 级:光信息08级1班 姓 名: 学 号: 20080320 光学课程设计

目录 第一部分设计背景 (1) 第二部分设计目的及意义 (1) 第三部分望远镜介绍 (1) 3.1望远镜定义 (1) 3.2望远镜分类及相应工作原理 (2) 第四部分望远镜系统设计 (3) 4.1开普勒望远镜 (3) 4.2望远镜系统常用参数 (4) 4.3外形尺寸计算 (6) 4.4伽利略望远镜 (8) 4.5物镜组的选取 (9) 4.6望远镜像差类型及主要结构 (10) 4.7双胶物镜与双分离物镜分析 (12) 4.8内调焦望远物镜分析 (14) 4.9目镜组的选取 (14) 4.10目镜主要像差及分析 (17) 4.11棱镜转像系统 (17) 4.12转折形式望远镜系统 (18) 4.13光学系统初始结构参数计算方法 (18) 4.14应用光学系统中的光栅 (20) 第五部分设计总结 (21) 第六部分参考文献 (21)

一.设计背景 在现在科学技术中,以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。如:天文、空间望远镜;地基空间目标探测与识别;激光大气传输、惯性约束聚变装置等等。 其中我国以高功率激光科研和激光核聚变研究为目的的光电系统——“神光二号”,颇具代表。“神光二号”对于未来的能源危机和我国的军事领域有着重要意义。 二.设计目的及意义 运用应用光学知识,了解望远镜工作原理的基础上,完成望远镜外形尺寸、 物镜组、目镜组及转像系统的简易或远离设计。了解光学设计中的PW法基本原理。 三.望远镜介绍 3.1 望远镜定义 望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器,能把远物很小的张角按一定倍率放大,使之在像空间具有较大的张角,使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。所以,望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。根据望远镜原理一般分为三种。一种通过收集电磁波来观察遥远物体的仪器。在日常生活中,望远镜主要指光学望远镜。但是在现代天文学中,天文望远镜包括了射电望远镜,红外望远镜,X射线和伽吗射线望远镜。近年来天文望远镜的概念又进一步地延伸到了引力波,宇宙射线和暗物质的领域。或者再经过一个放大目镜进行观察。日常生活中的光学望远镜又称“千里镜”。它主要包括业余天文望远镜,观剧望远镜和军用双筒望远镜。 【望远镜基本工作示意图】

光学设计

姓名:伍征义 学号:20100030333 软件课程设计 题目:定焦镜头的技术指标:焦距:28f mm '=,相对孔径/1/3.5D f '=,图像传感器为CCD ,像素为1200×960,像元为3.8 3.8m m μμ?。在可见光波段设计(取d 、F 、C 三种色光,d 为主波长)。 设计要求:镜片数小于10片,焦距280.2f mm mm '=±,中心相对照度大于65%,轴上点100/lp mm 的MTF 值在0.3以上,轴外0.707视场100/lp mm 的MTF 值在0.15以上,最大畸变<3.5%。 1. 透镜结构参数,视场、孔径等光学特性参数: System/Prescription Data GENERAL LENS DATA: Surfaces : 12 Stop : 6 系统光圈 : 入瞳直径 = 8 Glass Catalogs : SCHOTT Ray Aiming : Off 变迹 : 均衡,统一的, 因子 = 0.00000E+000 有效的焦点长度 : 27.99988 (系统温度和压力在空气中) 有效的焦点长度 : 27.99988 (在像空间)

Back Focal Length : 17.50113 统计轨迹 : 40.24 图像空间F/# : 3.499984 离轴工作面F/# : 3.499984 工作面F/# : 3.498717 Image Space NA : 0.141422 物空间 NA : 4e-010 光阑半径 : 2.446456 离轴像高 : 2.923143 近轴放大率 : 0 入瞳直径 : 8 入瞳区域 : 17.94058 入瞳直径 : 9.552972 入瞳直径区域 : -33.40412 Field Type : Angle in degrees 最大视场 : 5.96 主光波长 : 0.5875618 镜头单位 : 毫米 角度放大率 : 0.8374358 Fields : 7 Field Type: Angle in degrees # X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 3.440000 1.000000 3 0.000000 4.860000 1.000000 4 0.000000 5.960000 1.000000 5 0.000000 -5.960000 1.000000 6 0.000000 -4.860000 1.000000 7 0.000000 -3.440000 1.000000 Vignetting Factors # VDX VDY VCX VCY VAN 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 3 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 4 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 5 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 6 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 7 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 Wavelengths : 3 Units: 祄 # Value Weight

光学课程设计望远镜系统结构参数设计

光学课程设计 ——望远镜系统结构参数设计

一设计背景:在现在科学技术中,以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。如:天文、空间望远镜;地基空间目标探测及识别;激光大气传输、惯性约束聚变装置等等…… 二设计目的及意义 (1)、熟悉光学系统的设计原理及方法; (2)、综合应用所学的光学知识,对基本外形尺寸计算,主要考虑像质或相差;

(3)、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理,根据所学的光学知识(高斯公式、牛顿公式等)对望远镜的外型尺寸进行基本计算; (4)、通过本次光学课程设计,认识和学习各种光学仪器(显微镜、潜望镜等)的基本测试步骤; 三设计任务 在运用光学知识,了解望远镜工作原理的基础上,完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。并介绍光学设计中的PW法基本原理。同时对光学系统中存在的像差进行分析。四望远镜的介绍 1.望远镜系统:望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像,再经过一个放大目镜而被看到。又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角,使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径(最大8毫米)粗得多的光束,送入人眼,使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。2.望远镜的一般特性 望远镜的光学系统简称望远系统,是由物镜和目镜组成。当用在观测无限远物体时, 物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合,光学间隔d=o。当月在观测有限距离的物体时, 两系统的光学问隔是一个不为零的小数量。作为一般的研究,可以认

光学课程设计报告

光学课程设计报告 姓名: 班级: 学号:

一.设计目的 (1)重点掌握设计光学系统的思路。初步掌握简单的、典型的系统设计的基本技能,熟练掌握光线光路计算技能,了解并熟悉光学设计中所有例行工作,如数据结果处理、像差曲线绘制、光学零件技术要求等。 (2)在熟练掌握基本理论知识的基础上,通过上机实训,锻炼自己的动手能力。在摸索的过程中,进一步培养优化数据的能力和理论联系实际的能力。 (3)巩固和消化应用光学和本课程中所学的知识,牢固掌握典型光学系统的特点,并初步接触以后可能用到的光学系统,为学习专业课打下好的基础。 二.设计题目 双筒棱镜望远镜设计(望远镜的物镜和目镜的选型和设计) 三.技术要求 双筒棱镜望远镜设计,采用普罗I 型棱镜转像,系统要求为: (1)望远镜的放大率Γ=6 倍; (2)物镜的相对孔径D/f′=1:4(D 为入瞳直径,D=30mm); (3)望远镜的视场角2ω=8°; (4)仪器总长度在110mm 左右,视场边缘允许50%的渐晕; (5)棱镜最后一面到分划板的距离>=14mm,棱镜采用K9 玻璃,两棱 镜间隔为2~5mm; (6)lz′=8~10mm。

七.上机结果 1.物镜 (1)优化前数据 程序注释: 设计时间:2013年4月10日星期三 08:59:50 下午 -------输入数据-------- 1.初始参数 物距半视场角(°) 入瞳半径 0 4 15 系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕 7 3 0 1 -1 理想面焦距理想面距离 0 0 面序号半径厚度玻璃 STO 84.5460 5.741 1 2 -44.9920 2.652 K9 3 -134.9690 56.800 F5 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 4.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0000 12.630 K9 ☆定义了下列玻璃:

(整理)光电课程设计_光学仿真.

概述:一、光源 在光纤通信系统中,光源器件可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件,它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长,处在光纤的低损耗窗口之中;有足够大的输出功率,从而有较长的传输距离;有较窄的发光谱线,可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响;易于与光纤耦合,确保更多的光功率进入光纤;易于调制,响应速度要快,调制失真小,带宽大;在室温下能连续工作,可靠性高,寿命至少在10万小时以上。下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源:半导体发光二极管(LED )和半导体激光二极管(LD )。 1 发光二极管(LED ) 发光二极管(LED )是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。其寿命很长,受温度影响较小,输出光功率与注入电流的线性关系较好,价格也比较便宜。驱动电路简单,不存在模式噪声等问 题。 发光二极管结构简单,是一个正向偏置的PN 同质结,电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光,称为电致发光。发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED 所发出的光是非相干光,具有较宽的谱宽(30~60nm )和较大的发射角(≈100°)。 自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的,当注入电流为I ,在稳态时,电子-空穴对通过辐射和非辐射复合,其复合率等于载流子注入率I/q ,其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ,光子产生率为(I ηint/q),因此LED 内产生的光功率为 ()int int /P w q η= (2.1) 式中,ω 为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等,并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ,则LED 的发射功率为 ()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.2) ηext 亦称为外量子效率。由上式可知,LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。 发光二极管LED 是光纤通信中的常用 光源,它的发光仅仅是自发辐射,属于非相干光源,其输出光发射角较大,但LED 线性度好,调制时动态范围大,信号失真小,也就是P-I 曲线线性好,其P-I 特性曲线如图2.1所示。 2 激光器(LD ) 图2.1 发光二极管的P —I 特性曲线 15 10 5 0 200 400 电流(mA) 发射功率(m W ) 边发光 面发光

光学设计教程小知识点

1.2光学系统有哪些特性参数和结构参数? 特性参数:(1)物距L(2)物高y或视场角ω(3)物方孔径角正弦sinU或光速孔径角h(4)孔径光阑或入瞳位置(5)渐晕系数或系统中每一个的通光半径 结构参数:每个曲面的面行参数(r,K,a4,a6,a8,a10)、各面顶点间距(d)、每种介质对指定波长的折射率(n)、入射光线的位置和方向 1.3轴上像点有哪几种几何像差? 轴向色差和球差 1.4列举几种主要的轴外子午单色像差。 子午场曲、子午慧差、轴外子午球差 1.5什么是波像差?什么是点列图?它们分别适用于评价何种光学系统的成像质量? 波像差:实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标。适用单色像点的成像。 点列图:对于实际的光学系统,由于存在像差,一个物点发出的所有光线通过这个光学系统以后,其像面交点是一弥散的散斑。适用大像差系统 2.1叙述光学自动设计的数学模型。 把函数表示成自变量的幂级数,根据需要和可能,选到一定的幂次,然后通过实验或数值计算的方法,求出若干抽样点的函数值,列出足够数量的方程式,求解出幂级数的系数,这样,函数的幂级数形式即可确定。像差自动校正过程,给出一个原始系统,线性近似,逐次渐进。 2.2适应法和阻尼最小二乘法光学自动设计方法各有什么特点,它们之间有什么区别? 适应法:参加校正的像差个数m必须小于或等于自变量个数n,参加校正的像差不能相关,可以控制单个独立的几何像差,对设计者要求较高,需要掌握像差理论阻尼最小二乘法:不直接求解像差线性方程组,把各种像差残量的平方和构成一个评价函数Φ。通过求评价函数的极小值解,使像差残量逐步减小,达到校正像差的目的。它对参加校正的像差数m没有限制。 区别:适应法求出的解严格满足像差线性方程组的每个方程式;如果m>n或者两者像差相关,像差线性方程组就无法求解,校正就要中断。 3.1序列和非序列光线追迹各有什么特点? 序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计。以面作为对象,光线从物平面开始,按照表面的先后顺序进行追迹,对每个面只计算一次。光线追迹速度很快。 非序列光线追迹主要用于需考虑散射和杂散光情况下,非成像系统或复杂形状的物体。以物体作为对象,光线按照物理规则,沿着自然可实现的路径进行追迹。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。非序列光线追迹对光线传播进行更为细节的分析,计算速度较慢。3.2叙述采用光学自动设计软件进行光学系统设计的基本流程。 (1)建立光学系统模型: 系统特性参输入:孔径、视场的设定、波长的设定 初始结构输入:表面数量及序号、面行、表面结构参数输入 (2)像质评价 (3)优化:设置评价函数和优化操作数、设置优化变量、进行优化 (4)公差分析:公差数据设置、执行公差分析 3.3Zemax软件采用了什么优化算法? 构造评价函数:最小二乘法、正交下降法(非序列光学系统)

光学设计三分离物镜

燕山大学 课程设计说明书题目:照相物镜设计 学院(系):电气工程学院 年级专业:仪表二班 学号: 学生姓名: 指导教师:王志斌 教师职称:副教授

燕山大学课程设计(论文)任务书 2013年 7 月 10 日

目录 一、引言 (4) 二、设计过程 (4) 2.1初始结构的选择 (5) 2.2输入参数和缩放 (6) 2.3在ZEMAX中进行优化 (9) 2.4优化结果 (12) 三、心得体会 (15) 四、参考文献 (16)

引言 照相物镜的简介 照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f ’、相对孔径D/f ’和视场角2w 。照相物镜的焦距决定所成像的大小 Ⅰ)当物体处于有限远时,像高为 y ’=(1-ωβtan ')f (1-1) 式中,β为垂轴放大率,l l y y ' '==β。对一般的照相机来说,物距l 都比较大, 一般l >1米,f ’为几十毫米,因此像平面靠近焦面,''f l ≈,所以 l f '=β Ⅱ)当物体处于无限远时,β→∞像高为 y ’=ωtan 'f (1-2) 因此半视场角 ω=atan ' ' f y (1-3) 表1-1中列出了照相物镜的焦距标准: 即通常所说的截止频N λ λ u f D N == (1-4) 照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率,多数照相物镜因其本身的分辨率不高,相对孔径的作用是为了提高像面光照度 E ’=1/4πL τ(D/f ’)2 (1-5) 照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小,照相物镜又分为 a )小视场物镜:视场角在30°以下; b )中视场物镜:视场角在30°~60°之间; c )广角物镜:视场角在60°~90°之间; d )超广角物镜:视场角在90°以上。 照相物镜按其相对孔径的大小,大致分为

光学设计

大连民族学院 工程光学课程设计(论文)平行光管物镜设计 学院(系):物理与材料工程学院 专业:光电子技术科学 学生姓名:任增鑫 学号:2010053216 指导教师:芦永军 完成日期:2013-11-18 大连民族学院

摘要 平行光管是通过它取得来自无限远的光束,此光束谓之平行光。是装校调整光学仪器的重要工具,也是光学量度仪器中的重要组成部分,配用不同的分划板,连同测微目镜头,或显微镜系统,则可以测定透镜组的焦距,鉴别率,及其他成像质量。将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上,用附配于光管的高斯自准目镜头,通过光管上的高斯目镜观察,可以进行运动工件的直线性检验。在实际成像过程中,物体成的像应该与设计的光学系统一致,达到设计要求的放大倍数。所以,可以通过近轴光学公式计算出理想成像的位置和大小,近似地代表实际光学系统中所要求成的像的位置和大小。近轴光学公式对于工程光学设计有着重要的意义和作用,根据近轴光学公式的性质,它只能适用于近轴区域,但是实际使用的光学仪器,无论是成像物体的大小,或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。平行光管物镜物镜采用双胶合结构。双胶合结构能够很好的校正几种初级像差,而且结构简单,所以大多用此结构进行设计。 关键词:平行光管物镜;微小角度;近轴光学公式;双胶合结构

目录 摘要...........................................................................................I 设计要求: (2) 第一章绪论 (2) 第二章Zmeax光学设计软件简介 (3) 第三章平行光管物镜参数的手工计算 (5) 第四章课程设计结果Zmeax验证 (7) 致谢 (9)

工程光学课程设计双胶合透镜的镜片

工程光学课程设计双胶合透镜的镜片

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工程光学课程设计 姓名: 班级: 学号:

设计题目一 设计一个望远镜系统,如图所示。D/f ’=1/4,f ’=100,光阑在物镜上,视场为2° 20 一 计算过程 1 求棱镜的尺寸跟象差: 通光口径D=100/4=25mm 像方孔径角u ’=y/f ’=0.5×25/100=0.125 视场角u ’p =tan2°=0.035 取直角屋脊棱镜的玻璃材质为k9玻璃,其等价玻璃板光路长 L=p ·Dm=1.732Dm D m1=D0+d(2u ’p –D0/f) ≈21.4 D m2=p p pfu pD nf fd u d D f D n '0'002)2(-++-≈17.75 Dm 取二者中较大的,即Dm=21.4mm 。 光路长度L=p*Dm ≈37.06mm 求棱镜的初级像差系数 S Ⅰ=L ·(1-n 2) ·u ’4/n 3 =-0.00337, S Ⅱ=L ·(1-n 2) ·u ’3·u ’p /n 3 =-0.000943, S Ⅲ=L ·(1-n 2) ·u ’2·u ’2p /n 3=-0.000264 其中n=1.5163,L=37.06,u ’=0.125,u ’p =0.035 棱镜的初级色差为C Ⅰ=d ·(1-n)·u 21/vn 2≈-0.00203 C Ⅱ=d ·(1-n)·u ’p ·u ’/vn 2≈-0.000567。 其中 d=L=37.06, u 1= u ’=0.125 2根据对物镜像差的要求,可以求得P ∞,W ∞, C Ⅰ。 直角屋脊棱镜的像差由物镜补偿 S Ⅰ=y ·P ∞=0.00337 P ∞= S Ⅰ/y ≈0.00027 S Ⅱ=y p ·P ∞+j ·W ∞ j=y ’·n ’·u ’p -n ’·u ’·y ’p =0.4365 所以W ∞= S Ⅱ/j=0.002158 3可求得P,W, C Ⅰ的归化值 y ψ=12.5*0.01=0.125则P ∞= P ∞/(y ψ)3=0.13824 W ∞= W ∞/(y ψ)2=0.13811, C Ⅰ= C Ⅰ/y 2ψ=0.001299。 4求得P 0值,选择冕牌在前 P 0= P ∞-0.85(W ∞-0.1)2≈0.137。 由P 0=0.137,C Ⅰ=0.0013查P 0表,找出合适的双胶合透镜的玻璃组合。选择的玻璃种类是BaK7和ZF3

光学课程设计报告——华中科技大学

光学课程设计报告 姓名:糜健 班级:光信0802 学号:U200813208

目录 1.设计任务及要求 (2) 1.1设计任务 (2) 1.2设计技术要求 (2) 2.设计步骤 (2) 2.1总体设计流程图 (2) 2.2光学系统外形尺寸的计算 (3) 2.2.1 望远镜基本结构参数的确定 (3) 2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算 (3) 2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算 (5) 2.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算 (8) 2.3像差调节 (10) 2.3.1物镜的调节: (10) 2.3.2目镜的调节: (12) 2.3.3像质评价 (15) 4.附录:零件图与系统图 (16) 4.1双胶合物镜正透镜零件图 (17) 4.2光学系统图 (18)

1.设计任务及要求 1.1设计任务 双筒棱镜望远镜设计(望远镜的物镜和目镜的选型和设计)1.2设计技术要求 双筒棱镜望远镜设计,采用普罗I型棱镜转像,系统要求为: 1、望远镜的放大率Γ=6倍; 2、物镜的相对孔径D/f′=1:4(D为入瞳直径,D=30mm); 3、望远镜的视场角2ω=8°; 4、仪器总长度在110mm左右,视场边缘允许50%的渐晕; 5、棱镜最后一面到分划板的距离>=14mm,棱镜采用K9玻璃,两棱镜间隔为2~5mm; 6、lz ′>8~10mm。 2.设计步骤 2.1总体设计流程图

2.2光学系统外形尺寸的计算 2.2.1 望远镜基本结构参数的确定 焦距:由D/f1’=1:4,f1’=4D=120mm。又因为Γ=f1’/f2’,f2’=f1’/Γ=20mm。 出瞳大小:D’=D/Γ=5mm。 分划板口径:D分=2f1’tanω=16.7824mm。 出瞳的视场角:因为Γ=tanω’/tanω ,ω=4°,2ω’=45.522°。 2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算 普罗Ⅰ型转向棱镜基本结构如下: 普罗Ⅰ型转向棱镜是由两块等腰直角棱镜所构成的,具有转向的功能,可以解决开普勒望远镜成倒像的问题,使其成正立的实像,在本双筒望远镜系统中,棱镜位于目镜与分划板之间,对一块等腰直角棱镜进行棱镜的展开如下: D L 如图,D为棱镜的通光口径,L为棱镜的展开长度,由几何关系可知:L=2D。即可以将一块等腰直角棱镜展开为厚度为L的玻璃平板,玻璃平板又可以等效为厚度d=L/n的空气平板,其中 n为玻璃平板的折射率。因此系统可以等效为由物镜、目镜、分划板、两空气平板所组成得系统。将两空气平板放置在物镜与分划板之间,结构图如下:

光学系统设计

光学系统设计报告 一.设计要求: 1.物镜的有效焦距f=4mm; 2.光谱范围:400nm-700nm,其中要求400nm,550nm,650nm复消色差; 3.放大倍率-40; 4.物方数值孔径NA=0.65; 5.工作距离不小于0.6mm; 6.后焦距146mm。 二.设计过程: 由于像方焦距设计起来会相对容易,因此把物镜倒过来进行设计,此时物方焦距变成了新光路的像方焦距。倒过来设计以后,系统的相关参数也相应变化,物镜的放大倍率变为-0.025,物方数值孔径变为0.01625,镜组的第一个面到物平面的距离为146mm。 通过网络及相关教材,我找到类似的结构,初始设计参数如下 系统2D结构图: (最右侧的镜片是盖玻片) 仿真结果:

传递函数图(FFT MTF) 色焦移曲线(Focal Shift)

相差图(Ray Fan) 点列图(Spot Diagram)System/Prescription Data File : E:\光学系统设计\光学系统设计.ZMX Title: Lens has no title.

Date : MON DEC 3 2012 LENS NOTES: GENERAL LENS DA TA: Surfaces : 12 Stop : 7 System Aperture : Object Space NA = 0.01625 Glass Catalogs : CHINA Ray Aiming : Off Apodization : Uniform, factor = 0.00000E+000 Effective Focal Length : 3.854214 (in air at system temperature and pressure) Effective Focal Length : 3.854214 (in image space) Back Focal Length : -0.182259 Total Track : 18.25 Image Space F/# : 0.7451534 Paraxial Working F/# : 0.7726446 Working F/# : 0.7759774 Image Space NA : 0.5432923 Object Space NA : 0.01625 Stop Radius : 1.756853 Paraxial Image Height : 0.02511427 Paraxial Magnification : -0.02511427 Entrance Pupil Diameter : 5.172376 Entrance Pupil Position : 13.12902 Exit Pupil Diameter : 3.520975 Exit Pupil Position : -2.805925 Field Type : Object height in Millimeters Maximum Field : 1 Primary Wave : 0.55 Lens Units : Millimeters Angular Magnification : 1.469018 Fields : 3 Field Type: Object height in Millimeters # X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 1.000000 1.000000 Vignetting Factors # VDX VDY VCX VCY VAN 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

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