折衍混合低倍望远物镜.pdf

1、 光学设计 报告 刘生润 1 / 14 中国科学院大学 光 学 设 计 报 告 设计名称： 折衍混合低倍望远物镜 培养单位 ： 西安光学精密机械 研究所 学生姓名： 刘生润 学生学号： 201528014220018 光学设计 报告 刘生润 2 / 14 一 、设计指标 设计一个 折衍混合低倍望远物镜 ，光学特性要求如下 (自己选择 )： 放大倍率 4 ， 通光口径 15mm， 视场角： 2 =6 ， 单透镜 (单一材料 )： K9， 可见光波段 ， 焦距： 100mm 二 、 系统初始结构 确定 1、 设计步骤 1）求解初始结构 的基本参数 2） 利用传统的方法先优化单透镜系统 3） 加入

2、二元 面来结合 A1， A2再进行优化 2、根据像差特性参数计算 确定的初始 结构 （参考文献 ： 折衍混合单透镜替代双胶合望远物镜的设计研究 ， 赵丽萍 ， 邬敏贤 。 清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室 ） 图 1 本次设计 采用图 1的 结构，前面为球面，后面为平面，并且二元面在平面 上 加工。 光学设计 报告 刘生润 3 / 14 设前后折衍射透镜折射率分 别为 12,nn，阿贝数分别为 12,。 衍射光学透镜对 d光的等效阿贝数： 2 = 3.452dFC折射透镜材料选为 K9， 阿贝数 1 =64.1，折射率 1 1.5164n 。 由 12 1 / 0 .0 1

3、f， 12120 求得 11126 4 . 1 0 . 0 1 0 . 0 0 9 56 4 . 1 3 . 4 5 2 422213 . 4 5 2 0 . 0 1 2 5 5 . 1 1 1 03 . 4 5 2 6 4 . 1 1 1 1 1 . 5 1 6 4 1 54.3580.0095nr 设旋转对称二元光学衍射面的半径为 r ，其相位函数表示形式为： 24122 ( ) ( )r A r A r 系数 1A 决定二元光学元件的光焦度，对于主设计波长为 d =0.5896 m的衍射光学透镜，当照明波长为 时光焦度为： 12 dmA 式中 m为衍射级次，一般 m=1， 由于 4216

4、 .3 7 5 1 0 2d mA 求得， 412 / 2 2 .5 5 5 1 0 A 当采用弯曲系数 B=1的结构时对应的初级球差、慧差系数如下： 4322222 4 ( 1 ) 3 2 ( ) 4 1 ( 1 )( 1 )1 2 12 ( 1 )IIIy n n n nSn n n nnny H n nSn n n 光学设计 报告 刘生润 4 / 14 计算混合单透镜的总球 差系数为： 43 24222 4 ( 1 ) 3 2 ( ) 8 04 1 ( 1 )( 1 )refI y n n n nS m A yn n n nnn 其中 0.949ref =0.00949 对系统消球差，则

5、需满足上式： 解得 72 2.36 10A 最终结构参数 Surf： type r/mm d/mm 玻璃 STO（ standard） 54.358 4 K9 Binary2 Infinity 96.547724 （ 3）给出 波长、视场、入瞳 、玻璃库的数据 视场设置 波长设置 光学设计 报告 刘生润 5 / 14 入瞳数据 玻璃库 （ 4）给出计算得到的结构参数 初始结构参数 （ 5）给出 初始 二维图，并判断透镜边缘厚度是否合理，光线有没有在像面理想聚集？ 光学设计 报告 刘生润 6 / 14 初始结构的二维图和渲染图 光线理想的聚焦在像平面 。 三 、像质评价 （ 初始结构 ） 1、像

6、差分析 光学设计 报告 刘生润 7 / 14 初始结构的 垂轴 像差特性曲线和 光程差特性曲线 初始结构的 纵向像差 特性曲线和场曲 畸变 曲线 球差和纵向 像差 比较大， 场曲畸变比较小 2、 点列图与 调制传递函数分析 球差比较大 ，象散比较 严重 ，而且系统 分辨率很低。 光学设计 报告 刘生润 8 / 14 初始结构的 点列图 和 FFT-MTF 特性曲线 四 、优化设计 1、选择变量 加入 二元面， 输入 A1， A2， 选择 ， 第一面 曲率 半径 ， 像距 ， A1、 A2为变量 ，进行优化。 设置变量后的结构参数 2、设置优化操作数 并执行优化 选择优化操作数 : EFFL 1

7、00 优化操作数 （ 3）执行优化 ， 经过多次优化， 最终得到 的结构 参数 ： 光学设计 报告 刘生润 9 / 14 五 、 最终优化结果误差计算 11 0 0 . 0 0 3 1 0 0 1 0 0 % 0 . 0 0 3 %100焦 距 误 差 E 误差 都 很小 ，说明优化的结构比较好。 六 、 系统数据 报告 和图表 给出 最终优 化设计后的 系统数据报告和系统图 。 光学设计 报告 刘生润 10 / 14 系统数据报告 光学设计 报告 刘生润 11 / 14 系统图表报告 光学设计 报告 刘生润 12 / 14 光学设计 报告 刘生润 13 / 14 最终 的像差 曲线 和 初始

8、结构的相差对比发现，球差和纵向色差 以及系统 分辨率 都有所提高 ，而且通过阅读文献发现， 折衍混合单透镜替代双胶合望远物镜 可以缩减光学系统的重量 和体积 以及成本。 七 、设计总结 1、 本系统涉及到计算， 需要计算出初始 结构参数，这些可以根据 以前的知识 计算得到。主要是 在 后面的 玻璃材料的 选择上面， 直接采用了文献里面提到的 玻璃。 2、 因为 单透镜 的结构 比较简单 ，涉及到 的 变量 和 优化函数比较少 ，所 以优化 相对会 简单一点。 3、因为是 初次接触 zemax， 再者 对 像差 还没完全理解，对很多像差光学设计 报告 刘生润 14 / 14 曲线理解不是很透彻，有些 曲线 甚至看不太懂，导致在 优化的时候出现 挑选变量的困难。 Zemax 操作方面还需 继续深入学习 。