光學(xué)設(shè)計(jì) 對(duì)稱式目鏡.doc

電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評(píng)審意見表指導(dǎo)教師評(píng)語： 認(rèn)真 正確完善 完善 較為合理 合理工作態(tài)度 較認(rèn)真 理論分析 一般 軟件設(shè)計(jì) 一般 不認(rèn)真 較差 較差平時(shí)成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日?qǐng)D面及其它成績：答辯小組評(píng)語： 清晰 正確 基本掌握 優(yōu)化設(shè)計(jì) 基本正確原理 了解 不正確 不清楚答辯成績： 組長簽字： 年 月 日課程設(shè)計(jì)綜合成績：答辯小組成員簽字： 年 月 日 摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)儀器已普遍應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。光學(xué)儀器的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞決定著光學(xué)儀器整體質(zhì)量的好壞，一個(gè)高質(zhì)量的的成像光學(xué)系統(tǒng)是要靠好的光學(xué)設(shè)計(jì)去完成。因此說，光學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指的是根據(jù)儀器所提出的使用要求，來決定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和光組的結(jié)構(gòu)等。如今，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)階段：一、外形尺寸計(jì)算；二、像差設(shè)計(jì)。進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)也有兩種不同的方法：其一，是把已有的物鏡的結(jié)構(gòu)形式作為初始結(jié)構(gòu)，進(jìn)行像差校正；其二，是根據(jù)所選定的結(jié)構(gòu)形式，按初級(jí)像差理論求解初始結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行像差校正。其中像差校正方法有兩種：一是人工單因素校正，即有設(shè)計(jì)者根據(jù)系統(tǒng)像差情況，改變系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（r、d、n）,再進(jìn)行光路計(jì)算，重復(fù)這樣的過程，直至達(dá)到滿意的成像質(zhì)量。另一種是用電子計(jì)算機(jī)，按優(yōu)化理論和統(tǒng)計(jì)理論對(duì)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)同時(shí)給出不同的該變量，進(jìn)行像差校正，重復(fù)多次運(yùn)算（每次運(yùn)算稱為一次迭代），可達(dá)到滿意的像質(zhì)，稱為像差自動(dòng)平衡，也有人對(duì)初始結(jié)構(gòu)做像差自動(dòng)平衡，再做人工單因素自動(dòng)校正。本次課設(shè)在初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要采取第一種方法，將已有的物鏡的結(jié)構(gòu)形式作為初始結(jié)構(gòu)，主要任務(wù)集中在用電子計(jì)算機(jī)，按優(yōu)化理論和統(tǒng)計(jì)理論對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像差校正，得到理想的對(duì)稱式目鏡。關(guān)鍵字：光學(xué)設(shè)計(jì) 像差校正 目錄摘要1目錄3第一章 初始結(jié)構(gòu)41.1 對(duì)稱式目鏡相關(guān)介紹41.2 確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)4第二章 縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡62.1 焦距縮放62.2 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)與圖像分析72.2.1透鏡輸出72.2.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告8第三章 對(duì)稱式目鏡優(yōu)化103.1 曲率半徑優(yōu)化103.2 Thickness優(yōu)化113.3優(yōu)化后分析總結(jié)15第四章 學(xué)習(xí)心得體會(huì)15第五章 參考文獻(xiàn)17第一章 初始結(jié)構(gòu)1.1 對(duì)稱式目鏡相關(guān)介紹對(duì)稱式目鏡是目前應(yīng)用很廣的一種中等視場目鏡，結(jié)構(gòu)如圖（1-1）所示 ： 圖1-1它由兩個(gè)雙膠合透鏡組成，可驚奇看做一個(gè)薄透鏡租來近似的分析像差性質(zhì)。對(duì)稱式目鏡的特點(diǎn)是垂軸色差和軸向色差都能得到很好的矯正，出瞳距離較大，可以達(dá)到，視場大約為。并且與其他目鏡相比較，對(duì)稱式目鏡具有較小的場曲，是中等視場的目鏡中像質(zhì)較好的一種，出瞳距離也比較大，有利于縮小整個(gè)儀器的體積和重量，因此在一些中等倍率和出瞳距離要求較大的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中使用的很多。1.2 確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)本次課程在目鏡設(shè)計(jì)過程中從一些專利文獻(xiàn)和鏡頭手冊(cè)中選出一些光學(xué)特性與所設(shè)計(jì)的目鏡盡可能接近的資料作為初始結(jié)構(gòu)。根據(jù)各種類型目鏡基本光學(xué)特性之間的關(guān)系，確定所以選型是否合適，這關(guān)系到整個(gè)顯微物鏡設(shè)計(jì)的成敗。本次課設(shè)要求的參數(shù)為焦距、視場、出瞳直徑本次課設(shè)所選定的初始結(jié)構(gòu)及各參數(shù)查自光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，初始參數(shù)如表-1所示：表-1面數(shù)r/mmd/mm材料Object6159.721.2F3219.676K93-24.480.1424.486K96 -19.671.2F37-59.7214.56Image1） 打開ZMAX軟件，添加surface個(gè)數(shù)，將上表中r，d值分別輸入radius和thickness列，所選玻璃輸入至glass列。2） 點(diǎn)擊Gen（general），先將入瞳直徑設(shè)為3，在之后的優(yōu)化過程中再進(jìn)行調(diào)試和變更。3） 點(diǎn)擊Fil(field data),選擇Angel,設(shè)定y.視場分別為0、21、30,即選擇光軸光線，0.707帶光線和邊緣光線三類光線。4） 點(diǎn)擊EditorsMerit FunctionTools，加入EFFL項(xiàng)，選擇第2波長，設(shè)定Target為20.006,Weight值為1。得到系統(tǒng)平面剖面組 圖-1 初始數(shù)據(jù)lay模擬圖第二章 縮放法設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡2.1 焦距縮放設(shè)初始結(jié)構(gòu)焦距為，縮放后結(jié)構(gòu)焦距為，計(jì)算公式為：其中：、分別為初始和縮放后結(jié)構(gòu)的曲率半徑； 其中：、分別為初始和縮放后結(jié)構(gòu)的透鏡厚度和間隔。因?yàn)?得到，將初始結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入上公式，得到縮放后的和。列如下表-2：表-2面數(shù)r/mmd/mm材料Object121119.442.4F3239.3412K93-48.960.2448.9612K96 -39.342.4F37-119.4429.12Image表-2中所示即為符合本次課設(shè)要求的目鏡初始數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)作為本次課設(shè)后續(xù)說明中像差校正和光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化的基本數(shù)據(jù)。按照上述過程在ZEMAX軟件中輸入計(jì)算后的數(shù)據(jù)，至此，數(shù)據(jù)輸入工作基本完成，出現(xiàn)了如下的鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口（圖-2）： 圖-2 縮放后初始數(shù)據(jù)ZEMAX鍵入圖2.2 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)與圖像分析2.2.1透鏡輸出 點(diǎn)擊工具欄中Lay圖標(biāo)，出現(xiàn)優(yōu)化前物鏡系統(tǒng)平面剖面組，如下圖示： 圖-3 縮放后lay模擬圖像圖像分析結(jié)果：如圖顯示，縮放后結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和不合理現(xiàn)象。2.2.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告1） 點(diǎn)擊工具欄中Ray圖標(biāo)，出現(xiàn)ray fan曲線圖，如下： 圖-4 初始數(shù)據(jù)子午光束與弧矢光束垂軸像差曲線圖像分析：在ZEMAX中有一個(gè)重要的分析手段，就是顯示ray fan圖。ray fan表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 縱坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那條光線）在像面上的位置的相對(duì)數(shù)值。2）點(diǎn)擊工具欄中fcd圖標(biāo)，出現(xiàn)軸外細(xì)光束像差曲線，如下： 圖-5初始數(shù)據(jù)軸外細(xì)光束像差曲線左圖為像散場曲曲線，右圖為畸變曲線，縱坐標(biāo)為視場，橫坐標(biāo)左圖是場曲，右圖是畸變的百分比值。綜合圖-1、圖-2所示，初始數(shù)據(jù)所示的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不夠好，有待進(jìn)一步的優(yōu)化。3） 光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）分析，單擊工具欄中的Mtf圖標(biāo)，出現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，如下： 圖-6初始數(shù)據(jù)mtf 曲線圖圖像分析： 所謂MTF是表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說明該頻率的光強(qiáng)分布已無亮度變化，既該頻率被截止。這是利用光學(xué)傳遞函數(shù)來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。從理論上可以證明，像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍成的面積，曲線所圍成的面積越大，表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此在光學(xué)系統(tǒng)的接收器截止頻率范圍內(nèi)，利用MTF曲線所圍成的面積的大小來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是非常有效的。如圖所示明顯可知，MTF曲線所圍成的面積過小，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量不高，所以需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。4） 點(diǎn)擊工具欄中Spt圖標(biāo)，出現(xiàn)spot diagram曲線圖，如下： 圖-7初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像分析：在幾何光學(xué)的成像過程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖下方給的數(shù)可以看出每個(gè)視場的RMS RADIUS（均方根半徑值）、AIRY光斑半徑、GEO RADIUS為幾何半徑（最大半徑），值越小成像質(zhì)量越好。根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的各種幾何像差的影響，如是否有明顯像散或彗差特征，幾種色斑的分開程度如何等。對(duì)于點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣集中程度越高，彌散半徑越小，成像質(zhì)量也就越高。就初始數(shù)據(jù)點(diǎn)列圖圖像而言，點(diǎn)陣分散，成像質(zhì)量不高。第三章 對(duì)稱式目鏡優(yōu)化3.1 曲率半徑優(yōu)化一般來說，透鏡組的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)豆可以作為優(yōu)化變參量與優(yōu)化，首先，通過優(yōu)化曲率半徑的途徑來提高像質(zhì)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。采用ZEMAX自動(dòng)優(yōu)化的方法：首先右擊第二個(gè)面的Radius，選中Variable，點(diǎn)擊Opt按鈕，選中其中的Automatic，對(duì)第一組曲率半徑進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，觀察優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與初始數(shù)據(jù)像差分析圖進(jìn)行比較，如果，光學(xué)系統(tǒng)得到優(yōu)化，則將該組曲率半徑固定，如果結(jié)果不盡如人意，則將保留原始數(shù)據(jù)。按照如此的思路，對(duì)本光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的曲率半徑依次進(jìn)行優(yōu)化，最終得到曲率半徑優(yōu)化完成的參數(shù)，并對(duì)圖像進(jìn)行分析。得到的光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下： 圖-8曲率半徑優(yōu)化后像差分析圖很明顯，曲率半徑優(yōu)化后的結(jié)果沒有初始結(jié)構(gòu)完善，所以曲率半徑保持不變，主要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行Thickness優(yōu)化。3.2 Thickness優(yōu)化具體優(yōu)化過程不變，加入人為優(yōu)化的過程，優(yōu)化后得到的圖像如下： 圖-9 優(yōu)化后ray和軸外細(xì)光束像差曲線 圖-10 優(yōu)化后spt、mtf曲線圖經(jīng)分析，光學(xué)系統(tǒng)得到一部分完善，但是還有不足，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行人工優(yōu)化，改變光焦距和厚度中的單一變量（同時(shí)要以對(duì)稱式目鏡的對(duì)稱性為前提），觀察改變某一變量時(shí)各像差分析圖的變化趨勢(shì)，如果變化趨勢(shì)為光學(xué)系統(tǒng)趨于完善，那么保留此組數(shù)據(jù)的改變，如果結(jié)果表現(xiàn)出像差更明顯的情況，則保留原數(shù)據(jù)。按照此過程，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行再一次優(yōu)化。得到最終光學(xué)系統(tǒng)分析圖如下： 圖-11優(yōu)化后ray曲線圖圖-12 優(yōu)化后軸外細(xì)光束像差曲線圖-13優(yōu)化后點(diǎn)列陣圖 圖-14優(yōu)化后mtf曲線圖3.3優(yōu)化后分析總結(jié)經(jīng)過對(duì)優(yōu)化后圖像的分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了一定的校正，優(yōu)化后的結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前的結(jié)果。優(yōu)化后的對(duì)稱式目鏡的參數(shù)如圖所示： 圖-15優(yōu)化后的對(duì)稱式目鏡的參數(shù)圖第四章 學(xué)習(xí)心得體會(huì) 通過本次光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，我不僅更加深刻的學(xué)習(xí)了光學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，而且學(xué)會(huì)使用了ZEMAX 常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)，也鍛煉了我們?cè)趯W(xué)習(xí)新軟件的能力，這是對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)，是對(duì)新事物學(xué)習(xí)和接受能力的鍛煉。最初，我們對(duì)設(shè)計(jì)的總體思路都沒有一個(gè)大概的印象，最后通過到圖書館和上網(wǎng)查閱資料，并且看了以前上試驗(yàn)課時(shí)的PPT和一些資料，才對(duì)要使用的軟件有大致的了解，安裝ZEMAX后，慢慢的探索和練習(xí)。之后再是對(duì)我們課題進(jìn)行慢慢的細(xì)細(xì)研究，有了點(diǎn)思路后，即先分析設(shè)計(jì)的要求，按給定的參數(shù)設(shè)定物方孔徑，視場和波長等參數(shù)。然后按步驟即可進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可得到ray、fcd、spt、mtf等輸出波形。但由于人為設(shè)計(jì)的可能不是最佳的，ZEMAX系統(tǒng)軟件提供了一個(gè)自動(dòng)優(yōu)化功能，我們可在人為設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，在把優(yōu)化后的和未優(yōu)化