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1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目: 三分离望远物镜的设计学院（系）：电气工程学院年级专业： 09 级仪表 1 班学号：学生姓名：指导教师：教师职称：副教授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09 仪表 1 班设计题目三分离望远物镜的设计设计技术参数焦距 f=120mm，相对孔径为1：3, 3 .1w2。设计要求计算物镜的各个参数；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，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
2、版社，北京 3、光学设计软件ZEMA应完成内容计算设计处望远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谢平说明： 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评审意见表指导教师评语：工作态度认真较认真不认真理论分析正确完善较为合理一般较差方法设计完善合理一般较差成绩：指导教师：2012 年 7 月 13 日答辩小组评语：原理清晰基本掌握了解不清楚设计结论正确基本正确不正确成绩：评阅人：2012 年 7 月 13 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：2012 年 7 月
3、 13 日燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书1摘要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。随着科学技术的发展光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。我们知道，光学仪器的核心部分是光学系统。然而一个高质量的成像光学系统是要好的光学设计来实现的，所以说， 光学设计是实现各种光学仪器的基础
4、。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
5、，结构设计最简单的系统。关键字：望远镜三分离物镜ZEMA 缩放法燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书2目录第一章 光学概述 3 第二章 ZEMA 软件介绍 4 第三章 缩放法的简介 4 第四章 初始结构的参数及曲线 5 第五章 优化后的光学系统参数及曲线 11 第六章 学习心得 13 第七章 参考文献 13 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书3第一章光学概述光学 (optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具
6、有波粒二象性，需要用量子力学表达。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学 )这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。系统设计及其仿真我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近
7、似或极限。物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科， 所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、 声场、电场和磁场对光的现象的影响。量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。1900 年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论
8、上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值” 。光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用， 所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色
9、视觉，及其心理物理量的测量的色度燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书4学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。第二章ZEMA软件介绍ZEMA是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，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，是套可以运算Seqential及 Non-Seqential的软件。ZEMA 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际
10、光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMA 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 ZEMA 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 ZEMA 可仿真Sequential 和 Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。ZEMA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
11、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界面中。ZEMA功能强大， 速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMA能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMA 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMA 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMA 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMA 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMA目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，
12、这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明， 成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。第三章缩放法的简介燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书5所谓缩放，即根据对光学系统的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比K,，得到所求的系统结构，并估计像差的大小或变化趋势。具体步骤如下：（1）根据所设计的外部参数，由手册等资料选取比较接近的现有结构。外部参数指D、f 、2w 等。其中主要是f不能相差太大，相差太大即失去了原有数据的参考价值。（2）根据焦距计算缩放比K：现有焦距设计焦距 ffK（3）将现有结构中的所有线量放大K 倍，角量和相对量不变。（4）估计使用条件下
13、的相差和瞳孔位置的变化，所选的结构被放大后，所有线量相差进而也随之放大，原有结构的使用条件不可能与现在的使用条件完全相同，但可以根据原来使用的孔径和视场及相差曲线的趋势，推算出新的使用条件下的相差值等。（5）检查和调整间隔（中心厚或边缘厚），以满足工艺要求，必要时更换玻璃材料。（6）上机计算。 首先检查焦距是否为预想值，若相差太远， 可复查缩放过程或原始值。再查其他值，或作像差矫正等。第四章初始结构的参数及曲线根据缩放法的设计步骤，查阅老师所给资料的光学设计手册得到三分离物镜的类似结构系统，参数如下：名称光学性能结构参数r/mm d/mm n 三分离物镜51.102l3 .1w231f89.1
14、36f FD：68.55 -594.29 59.02 -153.82 -106.91 63.10 5.86 0.89 7.85 4.62 4 1.5163（K9）1.5163（K9）1.6475 （ ZF1）燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书6在 ZEMA软件中输入上述参数，按照 ZEMA设计光学系统的一般步骤，新建一个光学系统，先设计入瞳直径。D=45.63mm 。然后再选定视场角。w=0.65， 0.707w=0.46。接着选好 F、C、D 三个波长的可见光线。燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书7随后输入六个曲面的r、d、n，得到最原始的数据。.根据缩放法，求出缩放比K=0
15、.8766 ，将原始数据缩放，得到缩放后的数据。燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书8优化前的 Layouts ( 外形图 ) 优化前的 Ray Fan（光线曲线）燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书9优化前的 Optical Path Difference (OPD) Fans （光程差曲线）燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书10优化前的 Spot Diagrams (点列图 ) 优化前的MTF 分析曲线燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书11第五章优化后的光学系统参数及曲线：设定默认优化函数： 选择工具栏Editors Merit Function Tools D
16、efault Merit Function ， 在该选项框中选择RMS, Spot Radius, Centroid, 其它项默认即可，选择确定。为避免焦距变化过大，将其确定为初始值，即设定有效焦距EFFL为 120，权重为1。查看工具栏Analysis Aberration Coefficients Seidel Diagram（或 Seidel Coeffients） ， 比较直观地观察系统各表面对各种像差的影响，鉴于显微物镜主要校正轴上点球差、色差和正弦差，因此可以选择红颜色的 Spherical Aberration 作为主要观测对象。经观察发现，第5、6 这两个表面对球差影响较大，因此可以尝试这两个个半径组合作为变量进行自动优化。每次优化在之前基础上增加两三个半径作为变量，不要一次增加太多变量，否则效果
