光学设计实验指导书.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流光学设计实验指导书.精品文档.现代光学CAD技术实验指导书指导老师：汪胜辉湖南文理物电学院 单透镜的设计 (A Singlet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何键入光学系统的波长（wavelength)、镜头数据(Lens Data)、光线像差(Ray Aberration)、fan，光程差（OPD)，点列图（spot diagrams )等等。（3）确定厚度求解方法（thickness solve)和变量（variables)，执行简单光学设计优化。 二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、

2、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4单镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，全视场2为8 用冕牌BK7来作镜片。四、实验步骤：首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)，可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适应你自己的喜好。LDE有多行和多列组成，类似于电子表格，曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多，其他的则在特定类型的光学系统中才会用到。LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示，即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示

3、在屏幕上。这个反白条表示的是光标，可以用鼠标在格子上点击来操作。然后，系统参数设置。开始，输入系统波长，这个不一定先完成，只不过现在我们选定了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统(system)”菜单下的“波长（Wavelength)”。屏幕中间会弹出一个“波长（Wavelength Data)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个输入波长使总数成为三。现在，第一个“波长”行中输入486，这是氢F谱线的波长，单位为微米。ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，第二行波长列中输入0.587，最后在第三

4、行输入0.656，这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作。这个指示器指出了主要的波长（primary wavelength），当前为0.486微米。在主波长的第二行上单击，指示器下移到0.587的位置。主波长用来计算近轴参数, 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。“权重（weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后推出波长数据对话框。现在我们定

5、义镜片的一个口径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每个镜片该被定义多大。我们设计一个F/4的透镜，需要一个25mm的孔径（100mm的焦距，相对孔径F/4）。设置这个孔径值，选择“系统(system)”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入25，孔径类型选择“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可以选择其它类型的孔径设置。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个表面有一个曲率半径和玻璃。在LDE中显示有三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以ST

6、O表示；像面，以IMA表示。对我们来说，单透镜一共四个面：物平面、前镜面（光阑面）、后表面和像面。要插入第四个表面，只需将光标移动像平面的“无限（Infinity）之上，按INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面下移，新面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1、第2、第3面。现在输入使用的玻璃。移动光标到第一个面的“玻璃（Glass）”列，即在左边标作STO的面。输入“BK7”回车。ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用，我们所用的仅仅是BK7，ZEMAX会去查找所选定的玻璃并计算每一波长的色散系数等数据。由于透镜的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。移动光标到

7、第1个面的厚度列，并输入“4”，缺省单位是毫米。现在，需要为镜片输入每一面的曲率半径值，前面和后面的半径分别是100和-100。在第1和2面中分别输入这些值。在这里注意符号约定。在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100的值，作为第2面的厚度。如何判断镜片是否好呢？最有用的判断工具是光学特性曲线图。要产生一幅光学特性曲线图，先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，在选择“光线像差（Ray Aberration）”将会看到光学特性曲线图在一个小窗口显示出来。其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的ab

8、erration，称作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。光线特性图如图E1-1所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。左边的图形Y方向的像差，右图为XZ面上的像差。此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误，光学特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。E1-1为了纠正离焦，在镜片的后面的Solve来进行。为了将像面设置在近轴焦点上，在第2面的厚度上双击，弹出SOLVE对话框，它只简单显示“固定（Fixed）”。在下拉框上单击，将SOLVE类型改变为“边缘光线（Marginal R

9、ay Height）”，然后单击OK。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。注意第2面的厚度会自动调整到约为96mm。现在，更新光学特性曲线图看其变化，如图E1-2所示，离焦已消失，主要的像差是球差。现在是否最佳设计呢？E1-2下面要用优化来完成本设计的工作。首先，设一些变量，然后设置设计要求（目标Targets）或操作数（Operands）。有三个变量是镜片的前、后曲率和第二面的厚度，这些变量可以用离焦补偿球差。将光标移到第一面的半径列，双击，得到一下拉的选择列，其中包括变量状态，注意：“V”表示一个可变的变量。再在第2面半径及厚度上设置变化的标志。第2面的厚

10、度变化时，它的值会覆盖先前用求解定出的值。现在给镜片定义以“评价函数（Merit Function）”。一个理想的镜头它的评价函数的值为0。从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数”，会出现一个表格。从这个新的窗口的菜单条上，选择“工具（Tools）”菜单下的“ 缺省评价函数”。再在出现的对话框中，点击Reset，然后OK，ZEMAX就会建立一个合理的缺省评价函数。它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成，但这不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，还需要是镜头的焦距为100mm。在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一

11、行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入“100”然后按回车。其“权重（Weight）”输入一个值：1。这就完成了评价函数的定义，可以在窗口的左上角双击，评价函数编辑器从屏幕中移走评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。现在主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳优化（Optimization）”，会显示最优化工具对话框。在复选框中选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”。ZEMAX会很快减少评价函数。单击“退出”关闭最优化对话框。最佳化的结果是使镜片弯曲。结果所得出的镜片曲率使焦距大致为100mm，并且使这

12、个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。因为EFFL限制是一个被看做与其他的像差一样的“权重”指标。现在分析一下光学特性曲线图研究计算结果，最佳化的设计结果的最大的像差为200微米，如图E1-3所示。E1-3衡量光学性能的另一个方法是产生一个点列图。选择“分析”菜单下的“点列图”选项，然后选其中的“标准（Standard）”,点列图将会显示在另一个窗口中。此点列图的弥散大小是400微米。作为比较，艾利衍射斑的大小粗略约为6微米。另一个有用的判断工具光程差OPD图。这是以光瞳坐标为函数的分布图，选择“分析”菜单下的“图（Fan）”再选择“光程（Optical Path）”。如图E1-4所示

13、。这个系统大约有20个波长波像差，大部分为焦面上的球差、色球差和轴上色差。E1-4从光线图中，明显看出，色差是其主要像差。ZEMAX为一阶色差的大小提供了另一种简便的工具：多色光焦点漂移图。这种图形把焦距作为一种波长的函数，它指出了近轴焦点的变化。选择“分析”菜单中的“多方面（Miscella-neous）”，然后再选“多色光焦点漂移0图（Chromatic Focal Shift）”。如图E1-5所示，注意纵坐标表示波长范围，覆盖定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1540微米。对于但透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。为了修正一阶多色差，要求更换另一种玻璃材料。这就是实验二要解决

14、的问题。E1-5思考题：结合附录的常见专业英文词汇，认真熟悉ZEMAX软件？实验二 双胶合透镜的设计 (A Doublet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何产生图层、视场曲率图、定义视场角等等。（3）用离焦来平衡球差的方法和定义边缘厚度求解。 二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4双交合透镜镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，全视场2为10 用冕牌BK7和火石玻璃SF1来作镜片。四、实验步骤：一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是

15、胶合的，因此它们有一个共同的曲率，通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图，而不是直线的。这反过来会产生较好的像质。现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，下面将会加入视场角。如何选择这两片玻璃需要一些技巧，参考Smith的现代光学工程学（Modem Optical Engineening）里有关的例子。由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX，而不是设计镜片，这里只建议选择BK7和SF1这两种玻璃。如果你完成了刚才的例子，且单透镜片仍然被装载着，不需要重新输入设计的波长。否则，需按照前面的例子所述的方法输入波长和孔径。

16、现在必须插入新的面，知道你的LDE窗口看上去下面的表格。不是所有的列都被显示出来。如果需要移动光阑的位置以使第一面成为光澜面，可以通过双击所要使之成为光澜面的那一行的表面类型列，然后选择“Make Surfase Stop”按钮。因为在BK7和SF1这两种介质中没有空隙，这是一个胶合透镜。ZEMAX自己不会模拟胶合镜片，它只能简单地模拟使两片不欧力相接触。如果在先前的例子中，仍然保留了评价函数，那么，不需要重新创建评价函数。否则，需重新创建一个评价函数，包括EFFL操作数，如前一个例子所描述的。现在，从主菜单下选择“工具”-“最佳化”，单击“自动”，评价函数会开始减小，等它停止后单击“退出”。

17、显示多色光焦点漂移图，看是否已有一些提高（如果你的屏幕上还没有准备好，选择“Analysis”，“Miscellaneous（各种的）”，Chromatic Focal“）。与图E2-2类似。图E2-2现在以经减小了色差的线性项，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示。注意多色光焦点漂移量减少为74微米。（单透镜为1540微米）。还有另外的玻璃选择可以产生好的设计。要看ZEMAX玻璃目录中的其他玻璃类型，选择“tools”，“Glass Catalogs”。浏览完目录后单击“Exit”，现在，通过在光学特性曲线窗口中选择“Update”更新光学特性曲线图（如果光学特性曲线窗口没有显示出来，则在

18、主菜单中选择“Analysis”，“Fans”，“Ray Aberration”）。如图E2-1所示。最大的横向光学像差已经被减小到约20微米。这对于单透镜在200微米处来说是一个质的提高。注意光学特性曲率图原点处的斜率对于每一个波长相对离焦也很小的，但是斜率不为0。这隐含了离焦被用来平衡球差的意思。有S形弯曲的光学特性曲线是典型的用离焦平衡球面镜片的例子。E2-1现在已经设计了一个具有较好的性能特征的镜片，镜片看上去怎么样呢？选择“Analysis”，“Layout”，“2D Layout”，一个简单的镜片的二维剖面图如E2-3所示。图中显示了从第一面到像屏幕（缺省值，也可设成其他值）的镜片

19、，同时还有三条（缺省情况下）主波长光线从每个视场到像平面。这三条光线分别为入瞳本例中也就是第一面的上边缘、中心和底部的光线。很明显，第1个镜片有较尖的边缘。根据图形很难说出边缘厚度是正的或负的。而且，如果镜片尺寸稍微大一点会更好。这样可使镜片的实用清晰孔径会比口径要小，会给诸如抛光和装配等提供边缘空间。可以通过考虑这些因素来提高设计。为了决定实际的边缘厚度，可将光标移动到第一面的任意一列（例如，在LDE有“BK7”字样处单击）。现在选择“Reports”，“Surface Data”，将会出现一个窗口，显示了改面的边缘厚度，所给出的值是0.17，稍偏小。在修整偏小的边缘厚度之前，先将镜片放大。

20、移动光标到第一面的半口径“Semi-Diameter”列，键入“14”替代所显示的12.5并显示“14.000000U”。“U”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“U”没有显示，表示ZEMAX允许此孔径可随要求定义。可键入Ctrl-Z来取消“U”标志，或在半口径上双击，并为求解类型选择“Automatic”，作了这些改变后，选择“System”，“Update”更新孔径值。14这个值为半口径，表示全口径为28mm。同样，在第二面和第三名中也输入14。E2-3更新图层。现在孔径已经被放大了，但第一个边缘厚度是负的，更新表面数据窗口查看新的边缘厚度，它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度

21、，可以增加中心厚度，但是，还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。假设需要保持边缘厚度在3mm，在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”屏幕，从显示的求解列表中选择“Edge thickness”，两个值会被显示，一个是“厚度（Thickness）”，一个是“半径高（Radial Height）”。设厚度为3，半径高为0（如果半径高是0，ZEMAX使用所定义的半口径），然后单击“OK”。在LDE中，第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中，表示此参量为一个活动的边缘厚度解。再次更新表面数据窗口，边缘厚度3会被列出。也可以选择“System”，“Update Al

22、l”一次性更新所有的窗口。这将会刷新图层和光学特性曲线图。通过调整厚度，已对镜片的焦距作了一点改变。然后，再进行最佳化（选择“Tools”，“Optimization”，然后选“Automatic”）。最佳化后，单击“Exit”，然后选择“System”，“Update All”，再一次刷新图形。现在来测试双透镜的离轴特性。从主菜单选择“System”,“Field”得到“Field Data”对话框，单击第2和第3行的“Use”，选择3个视场。在下面的y视场列的第2行，输入7（即7度），在第3行输入10.使对于轴上的第1行保持为0.使x视场的值也为0.因为一个旋转对称系统，其x视场的值也为0

23、，因为一个旋转对称系统，其x视场的值很小。单击OK关闭对话框。现在选择“System”，“Update All”（系统，更新），光学特性曲线（rayfan）图显示在图E2-4中，你所得的也许会有点不同，这要看你在设置了求解（SOLVE）后是如何重新优化的。E2-4就如这些图中显示的，镜头的轴外特性是很差的，原因是我们只对轴上特性进行了优化。现在是什么像差限制了我们呢？可以来分析光学特性曲线图，判别出场曲是主要像差，此像差可以通过场曲曲线图图来估计。选择“Analysis”，“Miscellaneous”，“Field Curv/Dist”，场曲曲线如图E2-5所示。注意左图表示出了近焦点的漂移

24、为一个关于视场角的函数，而右图则表示了有以近轴光线为基准的实际光线的畸变。场曲曲线图上的所有信息都可从光学特性曲线图中得到，场曲曲线与光学特性曲线图中的斜率成比例。在校正视场弯曲时是由技巧的，实际上，球差和慧差也同样如此。这些技巧在Smith的Modern Optical Engineering中也有提及。E2-5思考题：结合光学设计教材的相关内容，分析实验中的像差特性曲线情况？实验三 三片式照相物镜的设计一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）了解镜头缩放的方法；（3）熟悉三片式照相物镜在像差中的校正，执行简单光学设计优化。 二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（

25、2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个焦距f=30mm，相对孔径D/f=1/4，视场2w=50o ，三片式照相物镜。四、实验步骤：1.输入初始物镜数据设计物镜的第一步是获得物镜的初始数据，通常使用的方法是：（1）查询相关专利进行放缩；（2）使用初级像差理论解出的结果。本实验使用前一种方法（也可以考虑用像差理论进行计算，有兴趣的同学动手计算试试），引用美国专利U.S.Patent 1073789（1913）为初始结构，在软件LensVIEW找出此专利，并在File下拉菜单中选Create ZEMZX File选项进行保存。直接用ZEMAX打开此文件，其数据如表1所示。表1 物镜

26、初始结构参数初始物镜的焦距为100mm，我们首先需要对物焦距镜进行放缩，在 Tools下拉菜单中选Miscellaneous Make Focal，填入30。这样得到了焦距为30mm的物镜。接着需要为物镜定义相对孔径。点击快捷键“Gen”，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，出现“F数（Image Space F/#）” 对话框，输入值：4。接着为系统输入波长。点击主窗口上方的快捷键“Wav”，屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。按下“Select”键选择“F，d，C（Visible）”，然后按“O

27、K”键退出。最后我们设定视场角。点击快捷键“Fie”，并将视场角的个数设置为3，在“y-Field”输入0，17.675和25度，权重都选1。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第7面的厚度上双击，弹出“SOLVE”对话框，将SOLVE类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”，然后单击”OK”。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的近轴边缘光线高度为0，可以得到近轴焦点，并出现“M”标示。 2.优化物镜系统下面我们对物镜经行优化。将镜片的曲率和空气厚度设为变量。将光标移到LDE对应栏，然后按Ctrl-Z，出现“V”表示变为可变的参量。同样将光标移到LDE半径栏，按Ctrl-

28、Z，使镜片半径由光线高度决定，旁边栏中的“U”标示消失。此时注意到玻璃只是以折射率显示的，将光标移到LDE玻璃栏，同样按Ctrl-Z，使ZEMAX自动找出相应玻璃。接着需要为镜片定义一个“评价函数（Merit Function）”。为了定义评价函数，从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数（Merit Function）”。从这个新窗口的菜单上，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数（Default Merit Function）”。选“RMSSpot RadiusCentroid”，按下“OK”键。ZEMAX已经构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得弥散斑

29、半径最小的追迹光线组成。此外，我们还需要使镜头的焦距为30mm。在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入30。其“权重（Weight）”输入1。这样就完成了评价函数的定义。点击快捷键“Opt”，会显示优化工具对话框。在该复选框中选择“自动更新（Auto Update）”，然后单击“自动（Automatic）”，开始优化。评价函数值越低越好，我们可以看到评价函数值在逐渐减少。优化完成后，单击“退出（Exit）”。很快我们将会发现结果并不理想，

30、需要多次调整空气厚度并进行优化，才能得到较理想的结果。接下来更换玻璃，双击对应玻璃栏，在弹出窗口Solve TypeModel下，只将玻璃折射率设为变量进行优化，第一片和第三片玻璃的折射率迅速增大，终止优化进程，用有较大折射率的玻璃LAK33替换原来玻璃，第二片负透镜玻璃用接近的玻璃F2替换（实际设计时还需要考虑玻璃的价格和适用的环境等因素），再次进行优化。表2 物镜优化后结构参数图1 物镜优化后结构及像差通常镜片需要大一些，这样才能给诸如抛光和装配等提供边缘空间，如采用压圈法固定，根据光学零件外径余量表，移动光标到1面的半口径 “Semi-Diameter”列，键入相应大小， ZEMAX会显

31、示“U” 标志，标志着这个孔径是用户自定义的。接下来我们需要决定透镜的实际厚度，根据透镜中心及边缘最小厚度表5，对负透镜可以直接选择一个中心厚度填入LDE，而正透镜复杂一些，我们希望保证透镜边缘厚度的情况下，使透镜尽量薄，可以使用活动的边缘厚度解。在相应面的厚度列中双击，出现“Solve Control”窗口，从所显示的求解列表中选择“Edge thickness”，进行“厚度（Thickness）”设置，然后单击“OK”。在LDE中，相应面的厚度已被调整，字母“E”显示在框中。最后再次点击快捷键“Opt”进行优化。物镜优化后结构参数如表2所示。点击快捷键“Lay”，弹出图1中“LAYOUT”

32、所示的二维剖面图。图中透镜边缘厚度已趋于合理。3.优化后像差分析那么镜片优化后性能如何呢？最直观的判断工具是点列图。点击快捷键“Spt”，所得的点列图，如图1中“SPOT DIAGRAM”所示。理想状态下，无限远处的点物经过理想光学系统成点像，考虑到光的衍射，光经过入瞳成一艾里斑。图中最大视场RMS弥散斑的尺寸是16.517微米，可见像差消除的不错。设计中，常用的判断工具还有光线差图，可以通过点击快捷键“Ray”得到。如图1中“TRANSVERSE RAY FAN PLOT”所示。左图EY是子午像差，右图EX是弧矢像差。最大的像差已经被减小到约40微米。注意光线差图的原点处斜率不为零。这是因为

33、在优化过程中，ZEMAX通过改变镜片的曲率和产生离焦来平衡球差，使光学特性曲线变为S形弯曲。点击快捷键“Fcd”，来观察场曲和畸变。图1中“FIELD CURVATURE / DISTORTION”显示了场曲和畸变，最大场曲不到0.35mm，畸变小于2.5。实验四 双高斯照相物镜的设计一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）了解镜头缩放或像差理论计算的方法；（3）熟悉双高斯对称物镜在像差中的校正的应用，执行简单光学设计优化。 二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个焦距mm，相对孔径为1:2。视场为。要求物镜本身

34、校正球差、色差、场曲、像散。（采用双高斯结构，玻璃材料自选）四、实验步骤：4.1、双高斯物镜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镜演变而来，一块校正了匹兹万

35、场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透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，

36、使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产生的正像散平衡。于此同时，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，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

37、做正透镜，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，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。4.2、用初级像差理论计算确定初始结构（也可以通过已有结构进行缩放，实验中可以利用计算好的数据直接进行操作）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2、 以厚透镜校正考虑到对高级像散的平衡，取。按相对孔径需要选。玻璃可取BaF7和ZK8的组合。由式子：可得：3、 加无光焦度双薄透镜校正取（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。（1） 求。（2）

38、 求个面曲率半径 由式子 及式子可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：4、 求校正的孔径光阑位置根据校正的要求，有令，则由以上各式可得 从上述计算可知，由于透镜合成后球差系数，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说只有一个根。5、 厚透镜中加入消位置色差系数的胶合面为了使得引入胶合面后，所以取胶合面初级位置色差系数由此可得而第一近轴光线在胶合面上的入射高度胶合面入射角为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式的胶合面曲率半径 6、 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，当时，。实际上系统间不可能等于零，计算表明，当半部系统的焦距等于1，取合成以后的焦距大约等于

39、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 7、 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 结构面号/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178

40、.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、 象差计算已知物体在无限远，则视场半角的正切式中为底片对角线的一半。入射光瞳半径为，已知相对孔径，则有 按进行光路计算，求得象方孔径角总焦距拉赫不变量初级象差系数初级象差4.3 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 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 优化前Lay如图8： 图8

41、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 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： 图14 优化后优化后Lay 如图15： 图15 优化后Lay优化后场曲和畸变如图16： 图16 场曲和畸变实验五 折反式望远镜的设计（牛顿望远镜的设计） (A Newtonian Telescope)一、实验

42、目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何使用圆锥常量（conic constants）、坐标中断（coordinate breaks）、三维图形（three dimensional layouts）、遮挡（obscurations）等等。（3） 熟悉反射镜（mirrors）的设计方法。二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个焦距为1000mm、相对孔径为F/5望远镜镜片，在光轴上可见光谱范围内使用。四、实验步骤：牛顿望远镜时最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，而且它对于阐明ZEMAX的一些基本操作非常有用。首先，

43、牛顿望远镜时由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无他物。抛物线很好第矫正了所有阶是我球差，由于我们只将望远镜使用在轴上系统，所以根本就没有其他的像差。为了重新开始，先关闭LDE外的所有窗口，选择“File”，“New”。假设需要一个1000mmF/5的望远镜，这暗指需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和一个200mm的孔径。移动光标的第一面，即光澜面的曲率半径列，输入-2000.0，负号表示为凹面，现在在同一个面上输入厚度值-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后方”传递。现在在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”，“General”，然后

44、在“通用数据对话框（General Data Dialog Box）”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。ZEMAX使用的缺省值是波长550，视场角0，这对于我们的目标来说是可接受的。现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。如果你现在演示一个标准的点列图（拉下“Anolysis”菜单，选择“Spot Diagram”，再选“Standard”或键入“Ctrl-S”），将会看到一幅RMS为77.6微米的点列图。评定像质的一种较为简便的方法是将艾利（Airy）衍射斑加到点列图的顶部。进行此操作，可从点列图的菜单条选择“Setting”，在“Show S

45、cale”选项中选择“Airy Disk”，然后单击“OK”，所得的点列图如图E3-1所示。所列的RMS点的尺寸是77.6微米，光线并没有达到衍射极限(衍射极限是多少)的原因是没有输入圆锥常量。原先所输入的2000这个曲率半径只是定义了一个球形，需要一个锥形常量-1来定义抛物线。在第一面的“Conic”列输入-1，敲回车，现在选“Systen”，“Update”菜单项刷新所有的窗口，在更新后的点列图上，可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0. 这个高像质的图象所处的位置并不好。由于像处在入射光路的光程中，图象无法接受。这通常在镜面后安放一个转折光线用的反射面来调整，反射镜面以

46、45度的角度倾斜，将像从光轴上往外转出来，为了使用转折面，首先必须定下它安放在那里。由于入射的光束为200mm宽，我们所需要的像平面至少要离开光轴100mm，选择200mm，因此折叠镜面必须距主反射有800mm。E3-1先从改变第一面的厚度着手，将之移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。新的面很快被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠镜面。在新的虚构面上输入一个-200的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。（如何定义）。现在单击“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后设置“Fold Surface”为2，单击“OK”，所得电子表格会被显示出来，而且会与下表相似。现在可以看看新的折叠式牛顿反射镜系统。先前所使用的图将不再起作用（它只对旋转对称系统有作用），取而代之的是3维图形，可通过“Analysis”，“Layout”，“3D Layout”菜单来得到。一旦三维图形显示出来，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down键来控制图形的旋转。ZEMAX允许图形的交互式旋转。图E5-2显示了一种可能的