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1、电气工程学院课程设计说明书设计题目：双高斯物镜的设计系 别：工业自动化仪表年级专业：08 级仪表学 号：08010学生姓名：指导教师：教师职称：副教授 讲师燕山大学课程设计说明书- 1 -电气工程学院课程设计任务书课程名称：光学仪器基础课程设计基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师： 学号 学生姓名 （专业）班 级 仪表 3 班设计题目 双高斯物镜的设计设计技术参数焦距 mm，相对孔径为 1:2。58f视场为 。402要求物镜本身校正球差、色差、场曲、像散。设计要求计算双高斯物镜的各个参数；上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求。参考资料1、刘钧，高明编著， 光学设计 ，2006
2、，西安电子科技大学出版社，西安2、光学仪器设计手册 ，1971，国防科技出版社，北京3、光学设计软件 ZEMAX周次 第一周 第二周应完成内容计算设计的双高斯物镜的各个参数 上机进行优化设计，确定最后的设计结构指导教师签字基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科燕山大学课程设计说明书- 2 -目录一、介绍 .- 3 -二、 用初级像差理论确定初始结构 .- 4 -三、 用 ZEMAX 优化 .- 9 -四、 结论 .- 16 -五、心得体会 .- 16 -参考文献 .- 18 -燕山大学课程
3、设计说明书- 3 -一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图 1 所示。图 1 双高斯物镜 由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲 ，利用薄透镜的弯曲可以S校正球差 ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散 ，在厚透镜中引S 入一个胶合面可以校正色差 。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透C镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透
4、镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。这个半部系统回来了承受无限远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产生的球差及高级量越小。但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。为了平衡 ，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一S步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产
5、生的正像散平衡 。于此同时，S轴外光线在前表面上的入射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。相反，若将光阑离开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，燕山大学课程设计说明书- 4 -则轴外光线的入射状态就能大大的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平衡 ，薄透镜应该向前弯曲，以使球面S与光阑同心。这样一来，球差及其高级量就要增加。以上分析表明：进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。解决这对矛盾的方法有三种：第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透
6、镜，使它的球面半径加大。第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的半径加大。第三，在两个半部系统之间引入无焦度的校正板，使它只产生 和S，实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。S2、用初级像差理论确定初始结构1、半部系统的规划半部系统如图 2 所示，计算时把焦距规化为 1，同时取规化条件。， 1011huz2、以厚透镜校正 S考虑到对高级像散的平衡，取。按相对孔径需要选7.S。玻璃可取 BaF7 和 ZK8150d的组合。由式子燕山大学课程设计说明书- 5 -bdnSacc1221可得 549.729.576038401ccba， ，3、加无光焦度双薄透镜
7、校正 S取 （实践表明取值在 1.2 到 1.5 之间为好） 。3.ba（1） 求 。cu、252.173179. 22321 undunSrc（2） 求个面曲率半径 由式子，121nbbcaa21及式子241321abcrr可求得半部系统焦距规化为 1 时各面的曲率半径分别为：燕山大学课程设计说明书- 6 -413.07295.321r4、求校正 的孔径光阑位置S根据校正 的要求，有0c SSba令 ，则Alhzz1ndAhuiiizzc2221由以上各式可得 0869.zl从上述计算可知，由于透镜 合成后球差系数 ，所得方cba、 0S程的二次项系数一定为零，也就是说 只有一个根。5、厚透
8、镜中加入消位置色差系数 的胶合面C为了使得引入胶合面后 ，所以取胶合面初级位置色差系数051021.41 ndlui由此可得026.nd而第一近轴光线在胶合面上的入射高度1.212uhl胶合面入射角9586.4241ndulCi燕山大学课程设计说明书- 7 -为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式urli的胶合面曲率半径 381.0r6、半部系统焦距确定半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式 知，当2121d时， 。实际上系统间 不可能等于零，计算表明，2120， 则dd当半部系统的焦距等于 1，取合成以后的焦距大约等于 0.8。现设计要求的合成焦距为 58 毫米。所以半部系统的焦距 5.
9、78.02f7、半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成首先将规化半部系统结构参数 乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜dr、加上必要厚度。半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成ba、一个完全对称系统。其全部结构参数如下：表 1 双高斯物镜的结构参数主要技术指标 结构mDf2940581面号 /mmr/mmdn玻璃1 30.03542 244.4743 4.85 1.6140 ZK83 21.1517 0.34 -27.6785 8.845 1.6140 ZK85 12.6552 2.03 1.6140 BaF76 -12.6552 12.599燕山大学课程设计说明书- 8 -8、象
10、差计算已知物体在无限远 ，则视场半角的正切L3729.0tanfy式中 为底片对角线的一半。入射光瞳半径为 ，已知相对孔径 ，则y h21fD有7 27.6785 2.03 1.6140 BaF78 -21.1517 8.845 1.6140 ZK89 -244.4743 0.310 -30.0354 4.85 1.6140 ZK8燕山大学课程设计说明书- 9 -5.142fDh按 进行光路计算，求得象方孔径角1,5.4,hL507.ku总焦距 839.f拉赫不变量 4075.tan1hJ初级象差系数 9.S36 0245. 1 7.S3C0.初级象差 092.25483.121jSCunLk
11、Kkk燕山大学课程设计说明书- 10 -0154.683.1542.029.58247.023121111kkFCkkFCkzkkskkTkunYLunSyKunS 3、用 ZEMAX 优化1、建立新镜头，录入初始结构参数。镜头数据为：图 3 初始镜头数据2、像质评价报告图 燕山大学课程设计说明书- 11 -优化前 Ray Fan 如图 4：图 4 优化前 Ray优化前 Opd Fan 如图 5：图 5 优化前 Opd燕山大学课程设计说明书- 12 -优化前 Spt 如图 6：图 6 优化前 Spt优化前 Mtf 如图 7：图 7 优化前 Mtf 燕山大学课程设计说明书- 13 -优化前 La
12、y 如图 8：图 8 优化前 Lay优化前场曲和畸变如图 9：图 9 场曲和畸变经分析，像质不够好，有待进一步优化。将透镜的曲率半径和厚度作为燕山大学课程设计说明书- 14 -优化变量，通过优化曲率半径和厚度来提高像质。优化后镜头数据如图 10：图 10 优化后镜头数据 优化后 Ray Fan 如图 11：图 11 优化后 Ray 燕山大学课程设计说明书- 15 -优化后 Opd Fan 如图 12：图 12 优化后 Opd优化后 Spt 如图 13：图 13 优化后 Spt优化后 Mtf 如图 14：燕山大学课程设计说明书- 16 -图 14 优化后优化后 Lay 如图 15：图 15 优化
13、后 Lay优化后场曲和畸变如图 16：燕山大学课程设计说明书- 17 -图 16 场曲和畸变4、结论双高斯物镜是一种对称型结构，故可以先从它的半部系统着手，这时只需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全对称合成后，其垂轴色差自动相消。对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数 ，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数 ，用选取孔径光阑S S位置校正像散系数 ，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数 。计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。选取透镜的C曲率半径和厚度作为优化变量。调试优化直至各参数满足设计要求。五、心得体会光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。就说论文的编燕山大学课程设计说明书- 18 -写吧，各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的。通过这次的课程设计，我认识到了学习是始终伴随自
