1、實 習 報 告 實習(shx)名稱： 工程(gngchng)光學課程設計 院系名稱(mngchng)： 電氣與信息工程學院 專業班級： 測控121 學生姓名： 蔡席 學 號： 20120458 指導教師： 李靜 李艷蘋 黑龍江工程學院教務處制2014 年 12 月實習名稱工程光學課程設計實習時間2014年 12 月 22 日至 2014 年 12 月 31 日 共 2 周實習單位或實習地點實驗樓528實習單位評語：（分散實習填）簽字： 公章： 年 月 日指導教師評語： 成 績指導教師簽字：年 月 日工 程 光 學 課 程 設 計 任 務 書組內學生姓名蔡席 人數1院系電氣與信息工程學院專業測控

2、技術與儀器班級、學號測控12-120120458指導教師姓名李靜李艷蘋職稱講師講師從事專業測控技術與儀器題目名稱雙筒棱鏡望遠鏡設計一、實習的目的、意義此實習的目的在于組織同學在教師的指導下，通過自主進行課題研究和探索，了解和掌握基本的科學研究方法和手段，實習用光學設計軟件ZEMAX設計雙筒棱鏡望遠鏡。 在此過程中，同學需要了解和掌握ZEMAX的使用方法，初步掌握簡單的、典型的、與新型系統設計的基本技能，熟練掌握光線光路計算技能，了解并熟悉光學設計中所有例行工作，如數據結果處理、相差曲線繪制、相差優化，光學零件技術要求等。二、實習的主要內容、技術要求（包括原始數據、技術參數、設計要求、工作量要求

3、等）內容：用ZEMAX設計雙筒棱鏡望遠鏡要求： 1、學習ZEMAX軟件 2、望遠鏡的放大率6倍； 3、物鏡的相對孔徑D/f1：4（D為入瞳直徑，D30mm）； 4、望遠鏡的視場角28； 5、儀器總長度在110mm左右，視場邊緣允許50%的漸暈； 6、鏡最后一面到分劃板的距離14mm，棱鏡采用K9玻璃，兩棱鏡間隔為2 5mm； 7、lz=810mm； 8、對所設計的光學系統進行zemax軟件仿真工作；三、實習完成后應提交的成果1、實習報告；2、zemax軟件仿真圖；四、實習的工作進度安排1、實習動員，布置設計內容；（0.5天）2、查找資料，做好準備工作；（0.5天）3、方案的選擇和比較；（1天）

4、4、初始數據的計算；（2天）5、望遠鏡物鏡和目鏡的設計；（2天）6、將初始數據輸入軟件仿真；（2天）7、整理資料完成設計報告的編寫；（1天）8、課程設計答辯及成績評定；（1天）五、主要參考資料1、郁道銀 談恒英，工程光學，機械工業出版社，2007。2、劉鈞高明，光學設計，國防工業出版社，2012。毛文煒，光學鏡頭的優化設計，清華 大學出版社，2009。3、黃一帆 李林, 光學設計教程，北京理工大學出版社2009。4、Joseph M. Geary， Introduction to lens design with ZEMAX，Willmann-Bell出版社，2002-08。 5、Smith

5、，Modern Lens Design - A resources manual，McGraw-Hill Professional; July 1, 1992。六、備注指導教師簽字：年 月 日教研室主任簽字： 年 月 日第1章 ZEMAX軟件(run jin)學習1.1 ZEMAX軟件(run jin)簡介 1.簡介(jin ji) ZEMAX Optical Design Program（ZEMAX）是由美國ZeMaX Development Corporation公司開發的專用光學設計軟件包，軟件逐步升級，我們使用的版本是2007。ZEMAX是Windows平臺上的視窗式的用戶界面，操作習

6、慣和快捷鍵風格如同Windows。 2.用戶界面 ZEMAX的視窗類型，和Windows的基本一致，打開不同的視窗可以執行操作不同的任務，可分為：主視窗 （Main Window）ZEMAX啟動以后，進入主視窗（圖1.1）。主視窗頂端有標題欄（title bar）、菜單欄（menu bar）和工具欄（tools bar）。編輯視窗（Editor Window）ZEMAX中有6種不同的編輯器（Editors）：即鏡頭數據編輯器（Lens Data Editor），評價函數編輯器（Merit Function Editor）、多重組態編輯器（Multi-configuration Editor）、

7、公差數據編輯器（Tolerance Data Editor）、用于補充光學面的附加數據編輯器（Extra Data Editor）、以及非序列元件編輯器（Non-sequential Components Editor）。圖1.1用戶界面(yn h ji min)圖形(txng)視窗（Graphic Window）最常用的有草圖(cot)（Layout）、扇形圖（Ray fans）、調制傳遞函數（MTF Plots）圖等。文本視窗（Text Windows）設計的文字資料，如詳細數據（Prescription Data）、像差數據等顯示在文本視窗中。對話框（Dialogs）固定大小，在過程中跳

8、出來的視窗（鼠標拖曳不能改變大小）。用于定義或 更新視場（Fields）、波長（Wavelengths）、孔徑（Apertures）、面型 （Surface types）等。1.2 光學系統建立 如何在ZEMAX里鍵入資料，包括設罝系統孔徑(System Aperture)、透鏡單位(Lens Units)、以及波長范圍(Wavelength Range)，并且進行優化。也將會使用到光線扇形圖(Ray Fan Plots)、彌散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具來評估系統性能。1.設罝系統孔徑 首先設罝系統孔徑以及透鏡單位，這兩者的設罝皆在按鈕列中的GEN按鈕里（System-

9、General）。點擊GEN或透過菜單的 System-General 來開啟 General 的對話框。如下圖所示 圖1.2 General 的對話框2.設罝視場角 點擊按鈕列中的Fie或透過菜單(ci dn)的 System-Filed 來開啟場對話框，如下圖所示。圖1.3 Filed 的對話框ZEMAX 默認(mrn)的視場角是即為近軸視場角，其中Weight這個選項可以用來設罝視場角之權值，并可運用于優化。 3.設罝波長(bchng) 可點擊按鈕列中的Wav來設罝波長，在波長編輯視窗里我們可以設罝不同的波長與其 Weight，ZEMAX 也有內建一些常使用波長，可透過Select-這個

10、選項來選擇如下圖所示：圖1.4 波長(bchng)編輯視窗4.鍵入(jin r)透鏡資料 現在我們要鍵入 Lens 的參數。在 ZEMAX 是透過設罝依序排列(pili)的表面來建立出光學系統。 The object surface（OBJ）：設罝光線的起始點 。 The front surface of the lens(STO)：光線進入 Lens 的位置。在這例子里，這表面的位置也決定了光闌(Stop)的位置 。 The back surface of the lens(2)：光線從 Lens 出來并進入空氣中的位置。 The image surface(IMA)：光線追跡后停止的位置，

11、不可以在 IMA 這個之后設罝任何的表面。這個位置上并非存真實的表面，而是一個啞的表面。如下圖所示：圖1.5 透鏡資料對話框5.評估系統性能 在ZEMAX 中有很多分析功能可評估系統的質量好壞，其中一個常用的分析工具是光線扇形圖(Ray fan plot)。可以點擊Ray這個按鈕或透過菜單 Analysis-Fans-Ray Aberration 來開啟這個功能。 在點擊之后會出現一個視窗，顯示各光線與主光線(Chief Ray)的光線象差(Ray aberrations)，左邊的圖是顯示 Y 或正切方向的光線象差，右邊的圖是顯示 X 或弧矢方向的光線象差。如下圖所示：圖1.6 光線(gung

12、xin)象差對話框6.設罝優化 （1）設罝允許變動(bindng)的參數，讓ZEMAX可自由地在允許的范圍(fnwi)內調整這個參數，以設計出更好系統。 （2）在數學上的觀點上，需要設罝優化函數(Merit function)的描述，意即評估系統優劣的指標。 接著修正績效函數(Merit function)，包括系統焦距的需求。將游標移在 MFE 的第一列并單擊按鍵盤的 Insert 來產生新的一列，在此列的 Type 欄上鍵入 EFFL 后按 Enter。這個操作數的功能是在運算出系統有效焦距，在計算有效焦距時必須設罝參考的主波長(Primary Wavelength)，在此例子里使用第二波

13、長為參考波長，所以在第一列的Wav#欄中鍵入為 2。接著在Target欄里鍵入 100 并按 Enter，Weight設為 1 再按 Enter，后將此視窗關閉，雖然關閉編輯視窗但設罝已儲存，并不會遺失。如下圖所示:圖1.7 Merit function對話框7.運行(ynxng)優化 點擊Opt或 Tools-Optimization，便會出現 Optimization 的視窗。在優化的對話(duhu)視窗里，如果Auto Update選項被勾選，則當在運行優化時，所有開啟的分析視窗如 Ray fans plot 以及 LDE 的數據將及時變動。在此請點擊Automatic這個按鈕來進行優化

14、。如下圖所示： 圖1.8 優化的對話(duhu)視窗8.圖解報告第2章 軟件設計2.1通過(tnggu)“未加入(jir)棱鏡”的望遠鏡系統計算出主要(zhyo)的參數 原理圖如下圖所示Df 0-fe物鏡（入瞳） 分劃板目鏡（視場光闌）出瞳w wDhz分hz目lzO1O2AO3BO4圖2.1 望遠鏡設計原理圖 1. 計算物鏡焦距與目鏡焦距 由設計要求知：入瞳直徑及D/=1/4，可得： 物鏡焦距 又視覺放大率6倍：所以目鏡焦距。 2. 計算出瞳直徑D物 3. 計算視場光闌通光口徑 在Rt 三角形 O1O2A 中（見原理圖），由幾何關系得： 所以視場光闌通光口徑 4. 目鏡(mjng)通關口徑 在

15、三角形O3O1B中，由幾何關系(gun x)得到： mm 故 5.像方視場角 由 得： 既 6.入瞳距 由于入瞳位置(wi zhi)與物鏡重合，所以 7.出瞳距 在三角形O3O4B中，由幾何關系得： 8. 系統總長度 2.2 通過加入棱鏡后的望遠鏡系統得到剩余的結構參數 加入棱鏡后的望遠鏡系統的示意圖如下所示：ddD棱鏡c=2mmxDABOa =14 mmfoOO 圖 2.2 望遠鏡系統圖(加入(jir)棱鏡后) 注： x表示物鏡到第一塊直角棱鏡(lngjng)的距離； c表示兩塊直角(zhjio)棱鏡間的距離； a表示最后一面到分劃板的距離； d 表示直角棱鏡的等效空氣板厚度； D棱鏡表示棱

16、鏡的通光口徑. 由原理圖中的幾何關系，可以得到：于是 (由幾何關系得到) 從而 像點軸向位移長度 1. 實際系統拉直后的總長度 2. 兩棱鏡中折轉光路的長度 3. 實際系統總長度 2.3望遠鏡結構(jigu)元件的選型 1.望遠鏡物鏡(wjng)的選型 望遠鏡物鏡的常用類型包括：雙膠合(jioh)物鏡、雙分離物鏡、雙單（單雙）物 鏡、三分離物鏡、攝遠物鏡以及對稱式物鏡8 1。 根據系統設計要求以及計算結果，可以整理出物鏡的光學特性參數為：通光口徑D = 30 mm； 焦距 f0 = 120 mm； 視場 2 8； 入瞳位置與目鏡重合 lz = 0.從而我們可以得到相對孔徑 可見相對孔徑較小，視

17、場2 8也不大,并且對物鏡系統的長度沒有特殊的要求，對照光學儀器設計手冊（上冊）,最終決定選取結構滿足要求的“雙膠合物鏡”，其示意圖如下所示： 圖2.3 雙膠合物鏡選取最接近設計要求的結構參數如下表所示：表1 雙膠合(jioh)物鏡結構參數2.望遠鏡目鏡(mjng)的選型 常用(chn yn)目鏡的類型包括：簡單目鏡（冉斯登、惠更斯目鏡）、凱涅耳目鏡、對稱式目鏡、無畸變目鏡以及廣角目鏡81。 根據系統設計要求以及計算結果，可以整理出目鏡的光學特性參數為：目鏡放大率 = 5 出瞳直徑 D = 5 mm焦距 fe = 20 mm .視場 2w =45.522o； 出瞳距 lz= 23.31 mm.

18、由于其視場2w 較大，并且2w =45.522o屬于凱涅耳目鏡視場取值范圍450500內，對照光學儀器設計手冊（上冊），最終我們決定選取結構最符合設計要求的編號為2-08的凱涅耳目鏡。其示意圖如下所示：圖2.4 凱涅耳目鏡（編號208）其結構形式如下表所示： 表2 凱涅耳目鏡(編號2-08) 3.棱鏡(lngjng)的選型 選用普羅I 型轉向棱鏡系統的兩個(lin )原因 1 由望遠鏡的放大率公式(gngsh) = - f0 / fe ，知當f0 和 fe 都為正值時，為負值。也就是說不加轉向棱鏡時，該望遠鏡系統成倒立的像，給觀察和瞄準帶來極大不變。普羅型棱鏡具有轉像的作用，所以選用它來把倒立

19、的像“正”過來。2 普羅型棱鏡具有折轉光軸的作用，可以用來減小系統尺寸。 普羅型棱鏡的展開1 系統結構 由兩塊二次反射直角棱鏡組成，它們的主截面互相垂直。系統結構如下所示： 圖2.4 普羅型棱鏡2 普羅型棱鏡的展開成等效玻璃板17 展開成等效玻璃板的合理性：構成普羅型棱鏡的直角棱鏡所起作用相當于平面鏡，主要是折轉光路和轉像的作用，如果不考慮反射面的作用，光線在兩折射面間的行為與一個平行平板等效。等效成玻璃板后，可以大大簡化實際光學系統的計算。D棱鏡L棱鏡 展開方法：在棱鏡主截面內，按反射面的順序，以反射面與主截面的交線為軸，依次按反射面順序做鏡像，便可得到棱鏡的等效平行平板。展開圖如下所示：圖

20、2.5 棱鏡(lngjng)展開圖3 玻璃板再等效(dn xio)成空氣板 等效成空氣板的合理性：玻璃板在近軸區內以細光束成像，不管物體位置如何(rh)，其像均可認為是由物體移動一個軸向位移而得到的，利用這個特點可以把平行平板簡化為等效空氣平板。 等效空氣板的作用：將平行平板等效成空氣板后，只需計算出無玻璃板時的像面位置，再沿軸向移動一個軸向位移17，就可得到有玻璃板時的實際像面的位置，避免了直接折轉光路進行計算，給光學系統的外形尺寸的計算，帶來極大好處等效空氣板厚度d = L棱鏡 / n ;像點后移距離：實際像面位置普羅 I 型棱鏡等效空氣板的計算如下：l 1d dd L棱鏡l 2AAl圖2

21、.6 等效(dn xio)空氣板2.4光學設計(shj)軟件對結構元件進行設計 1.物鏡(wjng)設計（1）設計思路望遠物鏡的光學特性主要是：相對孔徑小、 視場角不大，因此望遠物鏡的結構型式通常比較簡單，要校正的像差也比較少，一般主要校正軸向色差 LFC 球差L 和慧差KT 這三種像差。 對畸變y、像散垂軸色差等則不予校正。 要設計的望遠物鏡的光學特性參數為： 通光口徑D = 30 mm； 焦距 f0 = 120 mm； 視場 2 8.自動優化思路：此類小相對孔徑、小視場角的光學系統，各透鏡的中心厚度的少量變化對像差的影響較小，因此透鏡厚度不作為自變量，而是根據加工和裝調工藝由設計者指定。將

22、三個曲率半徑作為自變量，這樣最多只能控制三種像差（其中有一種為焦距）.由于物鏡要和目鏡組合起來使用，因此允許有一定的球差、色差等. 我們這里控制球差Lm、慧差KTm、和光焦度。2優化步驟 1將光學特性參數和上述初始數據輸入，將三個曲率和透鏡間隔作為自變量。2在“自動(zdng)優化參數”頁，輸入欲達到的焦距(jioj)。控制三項像差：光焦度、球差、慧差。 3單擊“自動(zdng)優化”按鈕，反復自動優化，得到最終結果。 3用ZEMAX軟件優化物鏡前后結果比較：優化前1 初始參數如下表所示物距半視場角入瞳半徑系統面數色光數實際入瞳上光漸暈下光漸暈理想面焦距理想面距離04153301-100表3

23、初始參數表透鏡參數如下圖所示圖2.7 透鏡參數2 高斯參數 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 100.00021 95.05488 -99.74763 95.05488 入瞳距離(lz) 出瞳距離(lz) 近軸像高(y) 放大率() 0.00000 -5.19846 -6.99270 0.00000 入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D) 拉赫不變量(J) 像方孔徑角(U) 30.00000 30.07594 -1.04890 0.150003 單個和膠合透鏡結構及光學參數 透鏡 1 R1=50.4100 R2=-43.5630 d=6.0000 n=1.516300 焦距:46

24、.2674 后截距:44.3923 前截距:-44.0976 矢高 ：12.3345 2=2.7022 邊緣厚 度： t=0.9633 透鏡 2 R1=-43.5630 R2=-232.4700 d=2.0000 n=1.647496 焦距:-83.1401 后截距:-84.6402 前截距:82.8590 矢高：12.7022 2=0.4839 邊緣(binyun)厚度： t=4.2183、 膠合(jioh)鏡 R1=50.4100 R2=-43.5630 R3=-232.4700 d1=6.0000 d2=2.0000 n1=1.516300 n2=1.647496 焦距(jioj):10

25、0.0002 后截距: 95.0549 前截 距:-99.7476 矢高： 12.3345 2=0.4839 邊緣厚度： t=5.18164 象質分析 圖2.8 點列圖 圖2.9 MTF曲線優化后：1 初始參數如下表所示物距半視場角入瞳半徑系統面數色光數實際入瞳上光漸暈下光漸暈理想面焦距理想面距離04153301-100透鏡參數如下圖所示圖2.10 透鏡參數2 高斯(o s)參數有效(yuxio)焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l)120.00003 115.69331 -118.61933 115.69331入瞳距離(jl)(lz) 出瞳距離(lz) 近軸像高(y) 放大率(

26、)0.00000 -5.70339 - 8.39122 0.00000入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D) 拉赫不變量(J) 像方孔徑角(U)30.00000 30.34917 -1.04890 0.125003 單個和膠合透鏡結構及光學參數透鏡 1 R1=74.1867 R2=-51.0565 d=6.5516 n=1.516300 焦距:59.6384 后截距:57.8451 前截距:-57.0326 矢高： 11.55492=2.2655 邊緣厚度： t=2.7313透鏡2 R1=-51.0565 R2=-161.4646 d=2.1461 n=1.647496 焦距:-116.2039 后截

27、 距:-118.1236 前截距:115.5969 矢高：12.2655 2=0.7026 邊緣厚度： t=3.7090膠合鏡 R1=74.1867 R2=-51.0565 R3=-161.4646 d1=6.5516 d2=2.1461 n1=1.516300 n2=1.647496 焦距:120.0000 后截距:115.6933 前截 距:-118.6193 矢高： 11.5549 2=0.7026 邊緣厚度： t=6.44034 象質分析 圖2.11 點列圖 圖2.12 MTF曲線5 元件示意圖2.13望遠鏡物鏡(wjng)示意圖目鏡(mjng)設計 1設計(shj)思路：目鏡的特點是

28、焦距短、視場角大、相對孔徑小且入瞳和出瞳都離透鏡組有一定的距離，因此，目鏡的軸外像差一般較大，必須校正。根據像差理論，目鏡通常校正光焦度、像散、垂軸色差和慧差三種像差。這里設計目鏡按反向光路方法20進行設計。已經計算出望遠鏡目鏡的光學特性為 目鏡放大率 = 5 出瞳直徑 D = 5 mm焦距 fe = 20 mm .視場 2w =45.522o； 出瞳距 lz= 23.31 mm.2優化步驟 將光學特性參數和初始數據輸入，將兩個曲率和透鏡間隔作為自變量；在“自動優化參數”頁，輸入欲達到的焦距。控制像差：光焦度、垂軸色差、象散和慧差，目標值分別為0.05、0、0、0； 單擊“自動優化”按鈕，反復

29、自動優化，得到結果。 3用ZEMAX軟件優化目鏡前后結果比較：優化前：1 初始(ch sh)參數物距物高孔徑角正弦系統面數色光數實際入瞳上光漸暈下光漸暈理想面焦距理想面距離1040.386885301-100透鏡參數(cnsh)如下圖所示圖2.14透鏡參數(cnsh)如下圖所示2 高斯參數 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 18.62468 14.74492 -15.12691 0.93985 入瞳距離(lz) 出瞳距離(lz) 近軸像高(y) 放大率() 0.00000 -8.18617 1.85306 0.74122 入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D) 拉赫不變量(J)

30、像方孔徑角(U) 8.39101 10.33118 0.41743 0.225273 單個和膠合透鏡結構及光學參數透鏡 1 R1=-209.4000 R2=12.3750 d=1.0000 n=1.612600 焦距:-19.0410 后截 距:-19.0755 前截距:19.6255 矢高： 10.0426 2=0.6770 邊緣厚度： t=1.7196 透鏡 2 R1=12.3750 R2=-14.4210 d=2.0000 n=1.589100 焦距:11.6270 后截 距:10.9304 前截距:-11.0292 矢高： 10.6770 2=0.5561 邊緣厚度： t=0.7669

31、 透鏡 3 R1=25.6640 R2=100000.0000 d=2.0000 n=1.516300 焦距:49.7200 后截 距:48.4006 前截距: -49.7203 矢高： 10.1068 2=0.0000 邊緣厚 度： t=1.8932膠合鏡 R1=-209.4000 R2=12.3750 R3=-14.4210 d1=1.0000 d2=2.0000 n1=1.612600 n2=1.589100 焦距:27.5144 后截距: 27.7316 前截 距:-25.4336 矢高： 10.04262=0.5561 邊緣(binyun)厚度：t=2.48654 像質分析(fnx)

32、圖2.15 點列圖圖2.16 MTF曲線圖優化后：1 初始(ch sh)參數物距物高孔徑角正弦系統面數色光數實際入瞳上光漸暈下光漸暈理想面焦距理想面距離1040.386885301-100圖2.17 透鏡的參數2 高斯參數 有效焦距(f) 后截距(L) 前截距(L) 像距(l) 20.00001 15.18794 -17.66799 0.73079 入瞳距離(lz) 出瞳距離(lz) 近軸像高(y) 放大率() 0.00000 -7.45176 1.80714 0.72286 入瞳直徑(D) 出瞳直徑(D) 拉赫不變量(J) 像方孔徑角(U) 8.39101 9.49849 0.37909 0.209783 單個和膠合(jioh)透鏡結構及光學參數透鏡(tujng) 1 R1=7.1021 R2=12.7632 d=1.0000 n=1.612600 焦距(jioj):24.4942 后截 距:23.1840 前截距:-25.2232 矢高：11.2254 2=0.5971 邊緣厚 度： t=0.3717透鏡 2 R1=12.7632 R2=6.2191 d=2.0000 n=1.589100 焦距: