燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)雙高斯物鏡的ZENAX優(yōu)化設(shè)計(jì)《光學(xué)課程設(shè)計(jì)》 目錄一、介紹 - 3 -二、 用初級(jí)像差理論確定初始結(jié)構(gòu) - 4 -三、 用ZEMAX優(yōu)化 - 9 -四、 結(jié)論 - 16 -五、心得體會(huì) - 16 -參考文獻(xiàn) - 18 -一、介紹雙高斯物鏡是一種中等視場(chǎng)大孔徑的攝影物鏡雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬(wàn)場(chǎng)曲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個(gè)彎月形的透鏡和一個(gè)薄透鏡組成，如圖1所示 圖 1 雙高斯物鏡 由于雙高斯物鏡是一個(gè)對(duì)稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正設(shè)計(jì)這種類型的系統(tǒng)時(shí)，只需要考慮球差、色差、場(chǎng)曲、像散的校正在雙高斯物鏡中依靠厚透鏡的結(jié)構(gòu)變化可以校正場(chǎng)曲，利用薄透鏡的彎曲可以校正球差，改變兩塊厚透鏡之間的距離可以校正像散，在厚透鏡中引入一個(gè)膠合面可以校正色差雙高斯物鏡的半部系統(tǒng)可以看作是由厚透鏡演變而來(lái)，一塊校正了匹茲萬(wàn)場(chǎng)曲的厚透鏡是彎月形的，兩個(gè)球面的半徑相等在厚透鏡的背后加上一塊正、負(fù)透鏡組成的無(wú)光焦度薄透鏡組，對(duì)整個(gè)光焦度的分配和像差分布沒(méi)有明顯的影響，然后把靠近厚透鏡的負(fù)透鏡分離出來(lái)，且與厚透鏡合為一體，這樣就組成了一個(gè)兩球面半徑不等的厚透鏡和一個(gè)正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半部系統(tǒng)。

這個(gè)半部系統(tǒng)回來(lái)了承受無(wú)限遠(yuǎn)物體的光線時(shí)，可用薄透鏡的彎曲校正其球差由于從厚透鏡射出的軸上光線近似平行與光軸，因此薄透鏡越向后彎曲，越接近與平凸透鏡，其上產(chǎn)生的球差及高級(jí)量越小但是，該透鏡上的軸外光線的入射狀態(tài)變壞，隨著透鏡向后彎曲，軸外光線的入射角增大，于是產(chǎn)生了較大的像散為了平衡，需要把光闌盡量地靠近厚透鏡，使光闌進(jìn)一步偏離厚透鏡前表面的球心，用該面上產(chǎn)生的正像散平衡于此同時(shí)，軸外光線在前表面上的入射角急劇增大，產(chǎn)生的軸外球差及其高級(jí)量也在增大，從而引出了球差校正和高級(jí)量減小時(shí)，像散的高級(jí)量和軸外球差增大的后果相反，若將光闌離開(kāi)厚透鏡，使之趨向厚透鏡的前表面球心，則軸外光線的入射狀態(tài)就能大大的好轉(zhuǎn)，軸外球差很快下降，此時(shí)厚透鏡前表面產(chǎn)生的正像散減小為了平衡，薄透鏡應(yīng)該向前彎曲，以使球面與光闌同心這樣一來(lái)，球差及其高級(jí)量就要增加以上分析表明：進(jìn)一步提高雙高斯物鏡的光學(xué)性能指標(biāo)，將受到一對(duì)矛盾的限制，即球差高級(jí)量和軸外球差高級(jí)量的矛盾解決這對(duì)矛盾的方法有三種：第一，選用高折射率低色散的玻璃做正透鏡，使它的球面半徑加大第二，把薄透鏡分成兩個(gè)，使每一個(gè)透鏡的負(fù)擔(dān)減小，同時(shí)使薄透鏡的半徑加大。

第三，在兩個(gè)半部系統(tǒng)之間引入無(wú)焦度的校正板，使它只產(chǎn)生和，實(shí)現(xiàn)拉大中間間隔的目的，這樣，軸外光束有更好的入射狀態(tài)二、 用初級(jí)像差理論確定初始結(jié)構(gòu) 1、 半部系統(tǒng)的規(guī)劃半部系統(tǒng)如圖2所示，計(jì)算時(shí)把焦距規(guī)化為1，同時(shí)取規(guī)化條件2、 以厚透鏡校正考慮到對(duì)高級(jí)像散的平衡，取按相對(duì)孔徑需要選玻璃可取BaF7和ZK8的組合由式子 可得 3、 加無(wú)光焦度雙薄透鏡校正取（實(shí)踐表明取值在1.2到1.5之間為好）1） 求 （2） 求個(gè)面曲率半徑 由式子， 及式子 可求得半部系統(tǒng)焦距規(guī)化為1時(shí)各面的曲率半徑分別為： 4、 求校正的孔徑光闌位置根據(jù)校正的要求，有 令，則 由以上各式可得 從上述計(jì)算可知，由于透鏡合成后球差系數(shù)，所得方程的二次項(xiàng)系數(shù)一定為零，也就是說(shuō)只有一個(gè)根5、 厚透鏡中加入消位置色差系數(shù)的膠合面為了使得引入膠合面后，所以取膠合面初級(jí)位置色差系數(shù) 由此可得 而第一近軸光線在膠合面上的入射高度 膠合面入射角 為求膠合面的曲率半徑，用近軸光光路計(jì)算公式 的膠合面曲率半徑 6、 半部系統(tǒng)焦距確定半部系統(tǒng)合成完全對(duì)稱系統(tǒng)，由光焦度公式 知，當(dāng)時(shí)，。

實(shí)際上系統(tǒng)間不可能等于零，計(jì)算表明，當(dāng)半部系統(tǒng)的焦距等于1，取合成以后的焦距大約等于0.8現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的合成焦距為58毫米所以半部系統(tǒng)的焦距 7、 半部系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)的決定及全系統(tǒng)的合成首先將規(guī)化半部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)乘以半部系統(tǒng)的實(shí)際焦距，然后將薄透鏡加上必要厚度半部系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，按對(duì)稱關(guān)系即可構(gòu)成一個(gè)完全對(duì)稱系統(tǒng)其全部結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：表1 雙高斯物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù) 主要技術(shù)指標(biāo) 結(jié)構(gòu)面號(hào)/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、 象差計(jì)算已知物體在無(wú)限遠(yuǎn)，則視場(chǎng)半角的正切式中為底片對(duì)角線的一半入射光瞳半徑為，已知相對(duì)孔徑，則有 按進(jìn)行光路計(jì)算，求得象方孔徑角總焦距拉赫不變量初級(jí)象差系數(shù)初級(jí)象差三、 用ZEMAX優(yōu)化1、 建立新鏡頭，錄入初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1) 光源參數(shù)1）首先點(diǎn)擊，出現(xiàn)以下窗口如圖可知入瞳直徑設(shè)置為29mm2） 點(diǎn)擊，出現(xiàn)以下窗口，按圖設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)3）點(diǎn)擊，出現(xiàn)以下窗口，選擇F,D,C可見(jiàn)光波段 (2)鏡頭數(shù)據(jù)為： 圖3 初始鏡頭數(shù)據(jù)2、 像質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告圖 (1)優(yōu)化前Ray Fan如圖4; Opd Fan 如圖5;Spt 如圖6;Mtf 如圖7;Lay如圖8;場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D9： 圖4 優(yōu)化前Ray 圖5 優(yōu)化前Opd 圖6 優(yōu)化前Spt 圖7 優(yōu)化前Mtf 圖8 優(yōu)化前Lay場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D9： 圖9 場(chǎng)曲和畸變Fcd 經(jīng)分析，像質(zhì)不夠好，有待進(jìn)一步優(yōu)化將透鏡的曲率半徑、厚度、玻璃類型作為優(yōu)化變量，通過(guò)優(yōu)化曲率半徑、厚度、玻璃類型來(lái)提高像質(zhì) (2) 優(yōu)化過(guò)程第一次優(yōu)化前的賽德?tīng)栂禂?shù)根據(jù)系數(shù)選擇如下變量進(jìn)行優(yōu)化優(yōu)化后得到的賽德?tīng)栂禂?shù)為根據(jù)上述方法進(jìn)行第二、三、四次優(yōu)化，優(yōu)化變量和優(yōu)化后賽德?tīng)栂禂?shù)分別如下圖所示第二次優(yōu)化優(yōu)化后第三次優(yōu)化第三次優(yōu)化后第四次優(yōu)化第四次優(yōu)化后（3） 優(yōu)化后結(jié)果鏡頭數(shù)據(jù)如圖10： Ray Fan 如圖11： Opd Fan 如圖12：Spt如圖13：Mtf如圖14：Lay 如圖15：場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D16： 圖10 優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù) 圖11 優(yōu)化后Ray 圖12 優(yōu)化后Opd 圖13 優(yōu)化后Spt 圖14 優(yōu)化后MTF 圖15 優(yōu)化后Lay 圖16 場(chǎng)曲和畸變有上述結(jié)果圖中發(fā)現(xiàn)如下變化：1、 光程差隨空間位移的變化并沒(méi)有激增，說(shuō)明在一定程度上減小了像差。

2、點(diǎn)列圖聚集程度比優(yōu)化前更好，能量不易分散，有利于成像 3、優(yōu)化后，綜合像差值基本上很?。ㄙN近坐標(biāo)軸）（4） 鍍膜 鍍膜前可以看出鍍膜前的透過(guò)率在0.63左右鍍膜后 鍍膜后的透過(guò)率達(dá)到了0.9以上四、 總結(jié) 雙高斯物鏡是一種對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，故可以先從它的半部系統(tǒng)著手，這時(shí)只需要考慮校正半部系統(tǒng)的球差、像散、場(chǎng)曲、位置色差這四類軸向象差，全對(duì)稱合成后，其垂軸色差自動(dòng)相消對(duì)于半部系統(tǒng)，采用厚透鏡校正象差彎曲系數(shù)，用加無(wú)光焦度雙薄透鏡校正球差系數(shù)，用選取孔徑光闌位置校正像散系數(shù)，再在厚透鏡中加消色散膠合面的辦法，校正位置色差系數(shù)計(jì)算出初始結(jié)構(gòu)參數(shù)后，通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化選取透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量調(diào)試優(yōu)化直至各參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求五、心得體會(huì)光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，覺(jué)知此事要躬行”這句千古名言的真正含義就說(shuō)論文的編寫吧，各種公式的錄入和各種圖形的繪畫(huà)，都是在這次的課程設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)的通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到了學(xué)習(xí)是始終伴隨自己的，從開(kāi)始的對(duì)ZEMAX的一竅不通，到現(xiàn)在能基本用它完成簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化從開(kāi)始不知道怎么使用VISIO作圖，到現(xiàn)在能使用其作出相關(guān)的圖形。

當(dāng)然，各種軟件功能都及其龐大，但是，認(rèn)識(shí)到邊學(xué)邊用后，自己便能在以后的工作和學(xué)習(xí)生活中更加從容一些在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情在設(shè)計(jì)過(guò)程中，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程我努力做了，雖然不是很完美，但自己也收獲了些東西，相信自己會(huì)從中受益學(xué)無(wú)止境，今后會(huì)更加努力參考文獻(xiàn) 1、劉鈞、高明·《光學(xué)設(shè)計(jì)》·西安電子科技大學(xué)出版社·西安·2006 2、《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》·國(guó)防科技出版社·北京·1971 3、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX 4、張以謨·應(yīng)用光學(xué)·機(jī)械工業(yè)出版社·北京·1982 5、王之江·實(shí)用。