平行光管物镜设计

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1、 工工 程程 光光 学学 课课 程程 设设 计（论计（论 文）文） 平行光管物镜设计平行光管物镜设计 学 院（系）： 物理与材料学院 专 业： 光电子技术科学 学 生 姓 名： 刘云鹤 学 号： 2012153216 指 导 教 师： 芦永军 完 成 日 期： 2015-12-18 大连民族大学 平行光管物镜设计 - I - 摘 要 平行光管主要由物镜、分划板和毛玻璃组成, 根 据生产实践要求而设计的平 行光管,可以在室内提供有限距离的目标。 它可以用于仪器的装校,光学系统特性常 数的测定等。平行光管主要是通过它取得来自无限远的光束，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

2、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。双胶合结构 是一种最常用最简单的物镜结构， 双胶合物镜由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。 这种透镜的优点是：结构简单，安装方便，光能损失较小，合适的选择玻璃可以校 正球差、彗差、和轴向色差三种相差，满足实际要求。根据双胶合结构的优点，因 此我们这次所做的平行光管物镜采用双胶合结构。 关键词：关键词：平行光管平行光管；双胶合结构；双胶合结构； 平行光管物

3、镜设计 1 目 录 摘 要 . I 设计要求： 2 第一章 绪 论 . 2 1.1 平行光管定义 2 1.2 平行光管的主要用途 2 1.3 平行光管工作原理： 2 1.4 平行光管选用 3 1.5 光学系统的基本特性 4 1.6 近轴光学 4 17 光线追迹计算 . 7 第二章 平行光管物镜手工计算 8 2.1.平行光管物镜初始结构参数计算 8 2.2 光线追迹求解系统焦距 f 及后焦距值 BFL . 8 2.3 爱里斑 . 9 第三章第三章 Zemax 光学设计软件 . 10 3.1 软件简介 . 10 3.2 ZEMAX 软件可以实现的主要功能： . 10 3.3 ZEMAX 中的像质评

4、价方法 10 第四章 课程设计结果 Zemax 验证 . 12 4.1：Zemax 软件操作： . 12 4.2 优化前后对比 15 4.3 最终结果 16 致 谢 17 平行光管物镜设计 2 设计要求： 设计要求：采用双胶合（Doublet）结构，D/f=1/6，半像面尺寸：5.25mm 半视场角：1 设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径 D：50mm 计算：系统焦距 f，后焦距（BFL） 第一章 绪 论 1.11.1 平行光管平行光管定义定义 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，

5、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。 1.21.2 平行光管的主要用途平行光管的主要用途： 主要是用来产生平行光束的光学仪器，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。 1.31.3 平行光管工作原理平行光管工作原理： 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

6、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。光源发出的光 经聚光镜会聚与分光板反射后均匀照亮分划板。当分划板位于物镜的焦面上时，分划板 的像在物镜像空间的无穷远处，即由平行光管发出的光是平行光束。平行光管是准直仪 的一种， 是无穷远成像系统的逆向使用， 工作原理如下： 光源发出的光均匀照亮目标板， 当目标板严格位于平行光管物镜的焦面上时，目标板的像在物镜像空间的无穷远处，即 由平行光管发出的光是平行光束。在实际使用时，受装校精度的制约，平行光管的目标 板位置与平行光管理想物方焦面位置之间必然存在一定位置误差， 这是影响平行光管出 射光平行度的主要原因。

7、平行光管物镜设计 3 1.41.4 平行光管选用平行光管选用 焦距 f、视场角 2、口径 D、波前误差（WFE）、出射光平行度（）是平行光管 的主要技术指标，也是平行光管选用时需要权衡考虑的技术参数。 1、焦距（f） 焦距是平行光管的重要技术指标，也是平行光管选用首先需要考虑的技术参数。一 方面，根据几何光学的物像关系表达式，理论上只要准确测量平行光管的焦距值，即可 计算、 推导出待测光学仪器的技术参数， 而无需考虑焦距的大小。 但在实际使用过程中， 由于平行光管目标板存在必然的位置误差，根据牛顿公式可知，目标板离焦量一定时， 出射光的平行度误差与焦距成反比，所以，需要根据出射光平行度的要求和

8、目标板校准 精度，权衡平行光管的焦距。另一方面，在光学仪器几何参数（焦距、相对孔径等）、 成像质量测量时，为了降低测量误差，一般选用平行光管的焦距是待检测仪器的 35 倍。 2、视场角（2） 视场角是平行光管的另一个重要的技术指标，一般透射式平行光管视场角较大，而 反射式平行光管视场角较小。当平行光管视场角大于待检测仪器视场角时，可以一次完 成待测仪器全视场相关参数的检测，否则需要进行多次测量。在平行光管选用时需要根 据待测仪器视场角、平行光特性、成本等因素综合考虑。 3、口径（D） 全口径检测是光学仪器检测的基本原则一致， 所以选用的平行光管口径必须大于待 检光学仪器的口径。口径的增大，直接

9、导致平行光管的重量、成本的成倍增加，当口径 大到一定程度后还会影响平行光管的结构形式。譬如，当平行光管的有效口径要求大于 150mm 时，一般选用反射式系统，而非中小口径时的透射式系统。 4、 波前误差（WFE） 当平行光管用于光学仪器几何参数检测或其他角度测量时，称此类平行光管为“角 度测量用平行光管” ， 一般不对其成像质量过多关注； 当平行光管用于光学仪器的装校、 成像质量检测时，称此类平行光管为“成像检测用平行光管”，此类平行光管自身的成 像质量将直接影响检测结果的正确性。“成像检测用平行光管”作为光学测试仪器，不 像普通成像系统那样具有固定的工作空间频率，所以一般用波前误差（WFE）

10、评价其成 像质量，“成像检测用平行光管”选用时需要根据待测光学仪器的波像差要求选用波前 误差匹配的平行光管。“成像检测用平行光管”属于高档平行光管，此类平行光管可以 平行光管物镜设计 4 用于光学仪器的装校或成像性能检测，但对光学设计、光机设计、装调等均提出了苛刻 的要求，平行光管的成本也较角度测量用平行光管昂贵。 5、 出射光平行度误差（） 平行光管出射光平行度主要受两方面影响： 6、目标板离焦量 根据牛顿公式可知，当平行光管目标板离焦时，目标板的像将在物镜像空间的有限 远处，即平行光管的出射光不严格平行，平行度误差与平行光管的口径有关。所以，目 标板离焦是导致平行光管出射光平行度存在误差的

11、主要原因。 光学系统残差 光学系统设计的理论像差和光机装调时的装调误差影响也将影响平行光管的平行 度，这部分误差在平行光管使用过程中是无法调整、补偿的，需要在光学设计、光机设 计、光机装调等方面严格要求。 综上所述，平行光管作为一种光学检测仪器，需要根据不同的用途选用不同技术参 数和精度要求的产品，同时需要权衡重量、成本等因素，切不可一味追求长焦距、大视 场、大口径、高精度，因为平行光管的价格与其技术参数、精度等级基本成指数关系递 增。譬如，同为焦距 550mm 的平行光管，当有效口径由 50mm 增加一倍到 100mm 时， 价格将增加 45 倍；而一个焦距 550mm 的平行光管，当焦距增

12、加 5 倍到 3m 时，价格 将增加 12 个数量级 1.51.5 光学系统的基本特性光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或 焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距 离、共轭距等。 1. 1.6 6 近轴光学近轴光学 近轴光线是一个科学名词。它指的是靠近主光轴的光线，是物理学中的一种理想化 的近似模型。近轴光线一般被应用于高斯光学。几何光学中研究和讨论光学系统理想成 像性质的分支称为高斯光学（或近轴光学）。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋 转对称性的光学系统。 平行光管物镜设计 5 图 1-1（光

13、路图） O：顶点 C：球面曲率中心 OC：球面曲率半径 r OE：透镜球面，也是两种介质 n 与 n 的分界面。 h：光线投射高度。 物方截距：顶点 O 到入射光线与光轴交点，用 L 表示。 物方倾斜角：入射光线 AE 与光轴的夹角，也叫物方孔径角，用 U 表示。 像方截距：顶点 O 到折射光线与光轴交点，用L表示。 像方倾斜角：折射光线 EA与光轴的夹角，也叫像方孔径角，用U表示。 入射角 I 折射角I 法线与光轴的夹角 子午平面：通过物点和光轴的截面 光路方向从左向右为正向光路，反之为反向光路。 曲率半径 r，以球面顶点 O 为原点，球心 C 在右为正，在左为负。 图 1-2（圆心在右）

14、图 1-3（圆心在左） 物方截距 L 和像方截距 L 也以顶点 O 为原点，到光线与光轴交点，向右为正， 向左为负。 平行光管物镜设计 6 图 1-4（圆心在右） 图 1-5（圆心在右） 球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点，向右为正，向左为负。 图 1-6（不同结构图） 当物点位于光轴上无限远处时，可以认为它发出的光是平行于光轴的平行光，此时有 L = -，U = 0 图 1-7（光路图） 入射角可以按sin = 然后再按其它实际光路公式计算 近轴光线的光路计算 U，U，I，I 都很小，我们用弧度值来代替它的正弦值，并用小写 字母表示。则实际光路公式可写成 sin = sin sin= s

15、in = + = (1 + sin sin)由上式可得出 平行光管物镜设计 7 i = = = + = (1 + ) （子午面内光路计算的实际光路公式） 转面公式： u = = 当无限远物点发出的平行光入射时有i = 图 1-8（光路图） 1717 光线追迹光线追迹计算计算 给定一个光学系统的结构参数，如半径、厚度或间隔、折射率等，再给出入射到光 学系统的光线方向和空间位置(也就是目标的位置)， 最后求出光线通过该系统后的方向 和空间位置。 光线追迹计算通常要经历下面 4 个步骤。 （1） 起始计算：这一步的目的是在给出光学系统结构参数的基础上能够进入系 统，给出光线的初始位置和方向。 （2） 折射计算：这是光线追迹的关键一步，确定光线经过表面折射(或反射)后 的分向和位置。 （3） 转面计算：该步骤完成到下一个表面的数据转换，以便于继续光线追迹。 （4） 终结计算与处理：本步骤确定光线的最后截点长度或高度。有时候还需要 计算像差值 平行光管物镜设计 8 第二章 平行光管物镜手工计算 2.1.2.1.平平行光管行光管物