1、電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：雙高斯物鏡的設(shè)計(jì)系 別：工業(yè)自動(dòng)化儀表年級(jí)專業(yè)：08級(jí)儀表學(xué) 號(hào)：08010學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：童凱 朱丹丹教師職稱：副教授 講師電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱：光學(xué)儀器基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)基層教學(xué)單位： 自動(dòng)化儀表系 指導(dǎo)教師：童凱 朱丹丹學(xué)號(hào)學(xué)生姓名（專業(yè)）班級(jí)儀表3班設(shè)計(jì)題目雙高斯物鏡的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)焦距mm，相對(duì)孔徑為1:2。視場(chǎng)為。要求物鏡本身校正球差、色差、場(chǎng)曲、像散。設(shè)計(jì)要求計(jì)算雙高斯物鏡的各個(gè)參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滿足像差要求。參考資料1、 劉鈞，高明編著，光學(xué)設(shè)計(jì)，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，西安2、 光學(xué)儀器設(shè)

2、計(jì)手冊(cè)，1971，國(guó)防科技出版社，北京3、 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX周次第一周第二周應(yīng)完成 內(nèi)容計(jì)算設(shè)計(jì)的雙高斯物鏡的各個(gè)參數(shù)上機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計(jì)報(bào)告前面。電氣工程學(xué)院 教務(wù)科目錄一、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

3、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，一塊校正了匹茲萬場(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)透鏡組成的無光焦度薄透鏡組，對(duì)整個(gè)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(fù)透鏡分離出來，且與厚透鏡合為一體，這樣就組成

4、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)回來了承受無限遠(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

5、。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(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，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

6、射狀態(tài)。2、 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，也就是說只有一個(gè)根。5、 厚透鏡中加入消位置色差系數(shù)的膠

7、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

8、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)

9、初級(jí)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)。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 優(yōu)化前Ray Fan如圖4： 圖4 優(yōu)化前Ray 優(yōu)化前Opd Fan 如圖5： 圖5 優(yōu)化前Opd優(yōu)化前Spt 如圖6： 圖6 優(yōu)化前Spt優(yōu)化前Mtf 如圖7： 圖7 優(yōu)化前Mtf 優(yōu)化前Lay如圖8： 圖8 優(yōu)化前Lay優(yōu)化前場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D9： 圖9 場(chǎng)曲和畸變 經(jīng)分析，像質(zhì)不夠好，有待進(jìn)一步優(yōu)化。將透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量，通過優(yōu)化曲率半徑和厚度來提高像質(zhì)。 優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù)如圖10： 圖10 優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù) 優(yōu)化后Ray Fan 如圖11： 圖11 優(yōu)化后Ra

10、y 優(yōu)化后Opd Fan 如圖12： 圖12 優(yōu)化后Opd優(yōu)化后Spt如圖13： 圖13 優(yōu)化后Spt優(yōu)化后Mtf如圖14： 圖14 優(yōu)化后優(yōu)化后Lay 如圖15： 圖15 優(yōu)化后Lay優(yōu)化后場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D16： 圖16 場(chǎng)曲和畸變4、 結(jié)論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，通過軟件進(jìn)行調(diào)試

11、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，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到“紙上得來終覺淺，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(jì)中學(xué)習(xí)的。通過這次的課程設(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)

12、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)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)·機(jī)械工業(yè)出版城·2006 6、光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)·國(guó)坊工業(yè)出版社·北京·1971電氣工程學(xué)院課