雙高斯物鏡的設(shè)計

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計說明書雙高斯物鏡的ZENAX優(yōu)化設(shè)計光學(xué)課程設(shè)計 目錄一、介紹- 3 -二、 用初級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- 16 -參考文獻- 18 -一、介紹雙高斯物鏡是一種中等視場大孔徑的攝影物鏡。雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖1所示。 圖 1 雙高斯物鏡 由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設(shè)計這種類型的系統(tǒng)時，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正。在雙高斯物鏡中依靠厚透鏡的結(jié)構(gòu)變化可以校正場曲，利用薄透鏡的彎曲可以校正球差，

2、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，一塊校正了匹茲萬場曲的厚透鏡是彎月形的，兩個球面的半徑相等。在厚透鏡的背后加上一塊正、負透鏡組成的無光焦度薄透鏡組，對整個光焦度的分配和像差分布沒有明顯的影響，然后把靠近厚透鏡的負透鏡分離出來，且與厚透鏡合為一體，這樣就組成了一個兩球面半徑不等的厚透鏡和一個正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半部系統(tǒng)。這個半部系統(tǒng)回來了承受無限遠物體的光線時，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)生的球差及高級量越小。

3、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，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量也在增大，從而引出了球差校正和高級量減小時，像散的高級量和軸外球差增大的后果。相反，若將光闌離開厚透鏡，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，球差及其高級量就要增加。以上分析表明：進一步提高

4、雙高斯物鏡的光學(xué)性能指標，將受到一對矛盾的限制，即球差高級量和軸外球差高級量的矛盾。解決這對矛盾的方法有三種：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，使每一個透鏡的負擔減小，同時使薄透鏡的半徑加大。第三，在兩個半部系統(tǒng)之間引入無焦度的校正板，使它只產(chǎn)生和，實現(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)。2、 用初級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，計算時把焦距規(guī)化為1，同時取規(guī)化條件2、 以厚透鏡校正考慮到對高級像散的平衡，取。按相對孔徑需要選。玻璃可取BaF7和ZK8的組合。由式子 可得 3、 加無光焦度雙薄透鏡校

5、正?。▽嵺`表明取值在1.2到1.5之間為好）。（1） 求。 （2） 求個面曲率半徑 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 從上述計算可知，由于透鏡合成后球差系數(shù)，所得方程的二次項系數(shù)一定為零，也就是說只有一個根。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)合成完全對稱系統(tǒng)，由光焦度公式 知，當時，

6、。實際上系統(tǒng)間不可能等于零，計算表明，當半部系統(tǒng)的焦距等于1，取合成以后的焦距大約等于0.8?，F(xiàn)設(shè)計要求的合成焦距為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)的實際焦距，然后將薄透鏡加上必要厚度。半部系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，按對稱關(guān)系即可構(gòu)成一個完全對稱系統(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 結(jié)構(gòu)面號/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12

7、.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、 象差計算已知物體在無限遠，則視場半角的正切式中為底片對角線的一半。入射光瞳半徑為，已知相對孔徑，則有 按進行光路計算，求得象方孔徑角總焦距拉赫不變量初級象差系數(shù)初級象差3、 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）首先點擊，出現(xiàn)以下窗口。如圖可知入瞳直徑設(shè)置為29mm。2） 點擊，出現(xiàn)以下窗口，按圖設(shè)置各項參數(shù)3）點擊，出現(xiàn)以下窗口，選擇F,D,C可見光波段。 (2)鏡頭數(shù)據(jù)

8、為： 圖3 初始鏡頭數(shù)據(jù)2、 像質(zhì)評價報告圖 (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場曲和畸變?nèi)鐖D9： 圖9 場曲和畸變Fcd 經(jīng)分析，像質(zhì)不夠好，有待進一步優(yōu)化。將透鏡的曲率半徑、厚度、玻璃類型作為優(yōu)化變量，通過優(yōu)化曲率半徑、厚度、玻璃類型來提高像質(zhì)。 (2) 優(yōu)化過程第一次優(yōu)化前的賽德爾系數(shù)根據(jù)系數(shù)選擇如下變量進行優(yōu)化優(yōu)化后得到的賽德爾系數(shù)為根據(jù)上述方法進行第二、三、四次優(yōu)化，優(yōu)化變量和優(yōu)化后賽德爾系數(shù)分別

9、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有激增，說明在一定程度上減小了像差。 2、點列圖聚集程度比優(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近坐標軸）（4） 鍍

10、膜 鍍膜前可以看出鍍膜前的透過率在0.63左右鍍膜后 鍍膜后的透過率達到了0.9以上4、 總結(jié)雙高斯物鏡是一種對稱型結(jié)構(gòu)，故可以先從它的半部系統(tǒng)著手，這時只需要考慮校正半部系統(tǒng)的球差、像散、場曲、位置色差這四類軸向象差，全對稱合成后，其垂軸色差自動相消。對于半部系統(tǒng)，采用厚透鏡校正象差彎曲系數(shù)，用加無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)。計算出初始結(jié)構(gòu)參數(shù)后，通過軟件進行調(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)計要求。五、心得體會光學(xué)設(shè)計課程設(shè)計結(jié)束了，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到“紙上

11、得來終覺淺，覺知此事要躬行”這句千古名言的真正含義。就說論文的編寫吧，各種公式的錄入和各種圖形的繪畫，都是在這次的課程設(shè)計中學(xué)習(xí)的。通過這次的課程設(shè)計，我認識到了學(xué)習(xí)是始終伴隨自己的，從開始的對ZEMAX的一竅不通，到現(xiàn)在能基本用它完成簡單光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。從開始不知道怎么使用VISIO作圖，到現(xiàn)在能使用其作出相關(guān)的圖形。當然，各種軟件功能都及其龐大，但是，認識到邊學(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)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，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)計過程中，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)。課程設(shè)計是我們專業(yè)課

12、程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我努力做了，雖然不是很完美，但自己也收獲了些東西，相信自己會從中受益。學(xué)無止境，今后會更加努力。參考文獻 1、劉鈞、高明·光學(xué)設(shè)計·西安電子科技大學(xué)出版社·西安·2006 2、光學(xué)儀器設(shè)計手冊·國防科技出版社·北京·1971 3、光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX 4、張以謨·應(yīng)用光學(xué)·機械工業(yè)出版社·北京·1982 5、王之江·實用光學(xué)技術(shù)手冊·機械工業(yè)出版城·2006 6、光學(xué)儀器設(shè)計手冊·國坊工業(yè)出版社·北京·1971電氣工程學(xué)院課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教