1、 工程光学课程设计报告班 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 指导教师： 报告日期： 题目 f=1200 的望远物镜设计南通大学课程设计论文I目录摘 要 .1第一章 绪论 .21.1 课程设计题目 21.2 设计要求 .2第二章 望远物镜的设计与相关参数 .32.1 望远物镜的主要参数 .32.2 望远物镜结构类型 .42.3 物镜的光学特性 .52.3 卡塞格林光学系统 .62.4 ZEMAX 中的像质评价方法 .7第三章 设计与优化 .103.1 设计过程 103.2 优化过程 13第四章 运用 Solid works 对镜片进行绘制 .17II第五章 新得与体会 .18主要参考文献 .1
2、9南通大学课程设计论文ii摘 要由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量 PW 与透镜折射率n、孔径半径 r、厚度 d 等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径 r、厚度 d、形状系数 Q、曲率 p。用光学设计软件 ZEMAX 对所求的结构参数进行了优化。光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。大体可以分为两个阶段。第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光
3、学特性等。第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。这一阶段的设计成为“相差设计” ，一般简称光学设计。 评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。南通大学课程设计论文iiii南通大学课程设计论文11第一章 绪论1.1 课程设计题目基于卡塞格林的望远物镜设计1.2 设计要求（1）入瞳直径：D=20mm；（2）相对孔径 D/f=1/6.15;（3）视场角 2=7；（4）在可见光波段设计（取 d、F、C 三种色光。 d 为主波长） ；（5）MT
4、F 值在 67lp/mm 处大于 0.40；（6）要求给出用 ZEMAX 优化减小球差和轴向色差的方法。南通大学课程设计论文22第二章 望远物镜的设计与相关参数2.1 望远物镜的主要参数1.出瞳直径：光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径；2.出瞳距离：出瞳到目镜最后一个表面的距离就是出瞳距离；3.放大率：望远镜的放大率是指视放大率，视放大率是指当人眼分别通过望远系统观察和直接观察同一物体时，在人眼视网膜上成像的大小之比，即；4.视场：望远镜的视场是指人眼通过该仪器所能见到的物空间的最大范围，用所能见到的物空间最大范围的边缘向入瞳中心所引的张角的角度值来表示望远镜的物方视场，像方视场用
5、像空间的边缘向出瞳中心所引的张tgwD角的角度值来表示；5.通光孔径:限制通过望远镜光能的图形框子（一般是物镜框）叫做入射瞳孔（简称入瞳），亦即望远镜物镜的通光孔径 D。6.分辨率：望远镜的分辨率用它所能分辨的物方无限远两个物点对望远镜物镜中心的张角表示（单位：秒）。望远镜的分辨率直接与入射瞳孔直径有南通大学课程设计论文33关。入射瞳孔直径（一般为物镜通光孔径）越大，望远镜分辨率就越高，观察的物体就越清晰。7.透过率：望远镜的透过率影响所观察物体的亮度。透过率与多种因素（如玻璃对光的吸收，光学表面透射时的反射损失，光散射等）有关。特别是光学表面透射时的反射损失对透过率影响最大同时也影响成像清晰
6、度。因此，望远镜的光学镜片与空气接触的表面都要渡减反射膜（增透膜）。镀的膜系不同望远镜的透光效果会不一样（单层透过率约 50%、双层透过率约 65%、多层膜透过率可达 85%以上），以镀宽带增透膜效果最佳。但考虑价格因素一般只在光学零件数目较多或在较高档的望远镜中镀制宽带增透膜。判别一个望远镜的透过特性，可以观察镜片反光情况，若反光严重，则透光差，成像就模糊。2.2 望远物镜结构类型望远物镜分折射式、反射式和折反射式三类1、折射式物镜折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远 6 种。其主要光学特性、特点如下：（a）双胶合：视场为 2 10，不同焦距适用的最大
7、相对孔径 f/ 为：Df50/ 、150/ 、300/ 、1000/ 。134160（b）双胶合-单：相对孔径 D/f为 1/31/2，透镜口径 D100mm，视场角 25。南通大学课程设计论文44（c）单-双胶合相对孔径 D/f为 1/31/2.5，透镜口径 D 小于 100mm，视场角 25。（d）三分离相对孔径 D/f为 1/21/1.5，视场角 24。（e）对称式物镜：适合于短焦距、大视场、小相对孔径使用，f50，D/f1/5,230。（f）摄远（一）：由正、负两个分离薄透镜组构成，系统长度小于焦距，系统的相对孔径受前组相对孔径的限制。（g）摄远物镜（二）：由双胶合-厚弯月构成。2、反
8、射式和折反射式物镜反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系统中采用。双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三种形式：一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面，副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭球面，成正像，镜筒长。三是牛顿系统：它是由一个抛物面主镜和一块与光轴成 45的平面反射构成。抛物面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个理想的像点。第二个平面反射镜同样能理想成像。折反射系统是卡塞格林系统的改进。它是由球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。南通大学课程设计论文552.3 物镜的光学特性2.3.1 相对孔径不大在望远系统中，入射的平
9、行光束经过系统后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D/f ）和目镜的相对孔径（D/f ）是相等的。目前观察望远镜的出瞳直径 D 一般为 4 毫米左右，出瞳距离 l一般要求为 20 毫米左右。为了保证出瞳距离，目镜的焦距 f 一般不能小于 25 毫米。这样目镜的相对孔径为，所以望远物镜的相对孔径一般小于 。1256f 152.3.2 视场角较小望远物镜的视场角 和目镜的视场角 ，以及系统的视放大率 之间关系为：，目前常用的目镜视场 2大多在 70以下，这就限制了物镜tant的视场，通常望远物镜的视场不大于 10。2.3 卡塞格林光学系统传统的”卡塞格林望远镜有抛物面镜的主镜，和双曲面的次镜将光线
10、反射并穿过主光学望远镜 镜中心的孔洞，折叠光学的设计使镜筒的长度紧缩。在小望远镜和照相机的南通大学课程设计论文66镜头，次镜通常安装在封闭望远镜镜筒的透明光学玻璃板上的光学平台。这样的装置可以消除蜘蛛型支撑架造成的“星状“ 散射效应 。封闭镜筒虽然会造成集光量的损失，但镜筒可以保持干净，主镜也能得到保护。它利用双曲面和抛物面反射的一些特性，凹面的抛物面反射镜可以将平行于光轴入射的所有光线汇聚在单一的点上焦点；凸面的双曲面反射镜有两个焦点，会将所有通过其中一个焦点的光线反射至另一个焦点上。这一类型望远镜的镜片在设计上会安放在共享一个焦点的位置上，以便光线能在双曲面镜的另一个焦点上成像以便观测，通
11、常外部的目镜也会在这个点上。抛物面的主镜将进入望远镜的平行光线反射并汇聚在焦点上，这个点也是双曲线面镜的一个焦点。然后双曲面镜将这些光线反射至另一个焦点图 2.3.12.4 ZEMAX 中的像质评价方法2.4.1 光扇图南通大学课程设计论文77由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成了子午形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为 Fans。共有 Ray Aberration、Optical path 和 Pupil Aberration 三种。2.4.2 点列图反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况；通常以主光线与像面交
12、点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX 在此基础上，还给出以虚拟的“质心” 、 “平均 ”为原点的量化点列图。图 2.4.22.4.3 MTF 调制传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函南通大学课程设计论文88数（OTF）的模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为 1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度；物理含义：应用傅里叶变换原理与光学系统相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑白线对分辨的调制度。图 2.4.32.4.4 点扩散函数PSF-Point Spread Function,反映点物经过镜头系统后，因像差或衍射
13、在像面上造成的扩散情况，横轴为像面上的线性尺度，纵轴为归一化能量（强度）分布；2.4.5 波像差可用于小像差光学系统和大像差光学系统，同时因有瑞利标准（波像差小南通大学课程设计论文99于 /4 波长，镜头系统成像质量接近理想） ，使波像差评价像质易被量化，只是对大像差系统时，可将波像差容限取成 2-4 倍的瑞利标准；波像差与视场有关，由一个视场物点发出充满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射，经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发生形变，表示存在波像差。图 2.4.5南通大学课程设计论文1010第三章 设计与优化3.1 设计过程卡塞格林系统由一个抛物面/双曲面主镜和一个双曲面副镜构成，结构如下图
14、 3.1.1南通大学课程设计论文1111随着各种光学系统的要求不同，卡塞格林系统的结构会有一些调整，为了校正场曲、象散和畸变，会在像面前加入几块透镜来校正这些像差。根据设计要求，视场角 2 =1mrad，D=f/10=120 ，经过查找，找到如m下结构图：面型 曲率半径 厚度 玻璃 半口径 Conic标准 -742.8572 -260 Mirror 78 -1.0462标准 -290.2328 471.7171 Mirror 22.5658 -2.9150标准 -55.2297 7.5 SF11 18 0标准 -118.4981 5 18 0表 3.1.1其视场角是 0 度的，与要求有点差别。
15、我们将以上结构参数输入到ZEMAX 软件中，同时注意主镜中有个中心开孔，这个开孔在输入的时候可以采用光阑面设置成不透光的形式来隔离掉光线进入光学系统，得到如下的结构。Surf：TypeComment Radius Thickness Glass Semi-DiameterConicOBJ Infinity Infinity 0.000 0.000南通大学课程设计论文12121* Infinity 265.000 26.000 0.000STO -74.857 260.000 MIRROR 78.000 -1.0463 -290.232 471.717 MIRROR 22.565 -2.9154
16、 -55.229 7.500 SF11 18 0.0005 -118.498 5.00 18 0.000IMA Infinity - 5.33E-005 0.000表 3.1.2又根据要求，后截距要求为 200mm，但是如图 3.1.2 所示，与要求不符合图 3.1.2对于系统焦距进行设置，如图 3.1.3南通大学课程设计论文1313图 3.1.3根据前面的视场角和入瞳，在 ZEMAX 中输入数据，如图 3.1.4,3.1.5图 3.1.4图 3.1.5南通大学课程设计论文1414输入波长：图 3.1.6题目要求后截距为 200mm，将第二个面的 conic 设置为-1图 3.1.73.2 优
17、化过程经过前面设置，卡塞格林系统已初步形成，现在要进行优化与改进。根据物镜库的数据：南通大学课程设计论文1515图 3.2.1打开优化函数，选择模式的方式，进行如下的设置：图 3.2.2之后，在 Lens Data Editor 中将各个镜片的曲率和厚度都改成变量，记住控制最后一个镜片面的曲率半径，让其控制 F 数的值不变。Surf：TypeComment Radius Thickness Glass Semi-DiameterConicOBJ Infinity Infinity Infinity 0.0001* Infinity 181.382 60.090 0.000STO -505.45
18、8 -177.950 MIRROR 60.001 -1.046南通大学课程设计论文16163 -198.653 322.873 MIRROR 18.148 -2.9154 -37.802 5.120 SF11 12.320 0.0005 -81.107 200.000 12.320 0.000IMA Infinity - 12.131 0.000表 3.2.1得到 MTF 图如图 3.2.3：图 3.2.3根据 MTF 图像，还需要进一步优化。我们在优化函数表给中加入EFFL、WFNO 和 MTFA 来分别控制系统焦距，F 数和 MTF 值。Oper #Type SampWaveField F
19、req Grid TargetWeight1MTFAMTFA1 0 2 67 0 0.4001.0002WFNOWFNO10.0001.0003EFFLEFFL2 1200.0001.000南通大学课程设计论文17174DMFSDMFS表 3.2.2进行优化之后，结构会产生畸变，应该增加透镜，在 SF11 后面加上一个K9 玻璃，在这里我们需要设定一个差不多的厚度让光线能够追迹同时调整主镜的遮光比。Surf：TypeComment Radius Thickness Glass Semi-DiameterConicOBJ Infinity Infinity Infinity 0.0001* In
20、finity 195.000 60.097 0.000STO -531.920 -183.471 MIRROR 60.001 -1.0003 -221.745 147.540 MIRROR 18.763 -2.9154* -495.894 1.700 SF11 12.320 0.0005* -380.000 1.499 K9 12.000 0.0006* -4636.809 -200.000 12.320 0.000IMA Infinity 0.6023 0.000表 3.2.3优化过后，得到如图 3.2.4：南通大学课程设计论文1818图 3.2.4设置 MTF 在 671p/mm 的值如图
21、 3.2.5 所示：图 3.2.5MTF 值在 671p/mm 处大于 0.4，符合设计要求，设计完毕。卡塞格林系统的 3D 图像如图 3.2.6 所示：南通大学课程设计论文1919图 3.2.6卡塞格林系统的设计至此完成，就该设计感觉可改进的地方：1 是否可以用两片镜片完成题目要求而不用加一块镜片2MTF 值在 671p/mm 处刚刚大于 0.4，是否可以改进使得在 671p/mm 处的MTF 值更大一点3 像差比较大，可以进行优化第四章 运用 Solid works 对镜片进行绘制南通大学课程设计论文2020南通大学课程设计论文2121南通大学课程设计论文2222南通大学课程设计论文232
22、3第五章 心得与体会通过这次工程光学课程设计的学习，让我对以前所学的光学知识有了更深刻的理解，两个多月的时间充实而又有益，学习到了两款软件ZEMAX 以及Solid Works，并动手设计出了卡塞格林光学系统的望远物镜。刚开始拿到这个题目，对于怎样入手毫无头绪，尤其是抽到了比较特殊的两镜系统卡塞格林系统，于是到图书馆和上网查阅了有关资料，仔细阅读了资料以及向周围同学请教，看了以前做的 ZEMAX 相关的例题，才对卡塞格林系统有了初步的了解，但是对于怎样计算各个参数还是一窍不通。之后通过翻阅光学非球面的加工设计与检验 ，知道怎样计算各个参数，之后才是运用ZEMAX 对光学系统进行设计与加工。ZE
23、MAX 是最近才接触到的软件，所以在制作过程中也遇到了不少困难，因为是英文软件，所以许多菜单上的意思都看不懂，需要通过网络来翻译，之后要按照给定的要求，一步一步进行，比如进行缺省函数的建立就遇到了不少困难，不过最后还是通过网络完成了缺省函数的建立。但是由于人为设计导致最后的结果很可能不是最佳的，ZEMAX 的自动优化功能可以帮助我达到题目所给的要求。不过做出的结果仍有许多不足，以后还要经过不断地学习使得结果更加完美。当然，态度也很重要，把自己设计的经过写入 Word 文档也需要规范格式，前几次的随意不仅导致排版不美观，而且导致内容混乱，不利于阅读。格式的规范需要按部就班，一步步的去完成，看起来容易的规定也需要极大的耐心以及足够细心去完成，一丝一毫的疏忽都有可能导致版面的不美观。所以把态度端正才是做任何事情最先要注意的一点！通过这次光学设计，不仅学到了 ZEMAX 对于光学系统的设计方法，还提高了自己的自主学习能力以及创新能力，动手能力以及与周围同学协作的能力，即使遇到以前从未接触过的知识也不用慌张，因为总会有解决的方法，只要有耐心和毅力就一定可以完成。南通大学课程设计论文2424希望这次光学设计课程可以对自己以及老师都有所帮助，可以为以后同学的学习有所帮助。也希望自己可以在今后的学习中不断进步，不断尝试并改进，不断纠正，没有最好，只有更好的结果。
