电气工程学院课程设计说明书设计题目：简单望远物镜设计系别：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：课程名称：光学仪器基础课程设计2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院教务科目录第一章设计要求 (1)第二章设计方法和ZEMAX软件 (1)设计方法 (1)ZEMAX软件介绍 (2)第三章设计过程 (3)P、W法计算初始结构 (3)ZEMAX软件优化曲率半径 (7)第四章像差分析 (15)心得体会 (17)参考文献 (18)绪论在薄透镜组中，应用最多的是双胶合透镜，因为它是能够满足一定的P、W、C的最简单的结构形式。

它是一种把低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的透镜。

设计时，在蓝色（），绿色（）和红色（）三个波长，对分散的不同值和透镜形状进行了优化，实现了最小色差。

因此，此类透镜可在整个可见光区域内使用。

其球差在设计时也进行了优化，和单个透镜相比，双胶合透镜的球差要小的多。

使用于无限远共轭状态时，其球差最小。

摘要光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。

代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法; 而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。

ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。

第一章设计要求：设计一个焦距为500mm，相对孔径为1:10的望远物镜，要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。

入瞳位置在物镜上。

第二章设计方法和ZEMAX软件设计方法：任何光学系统或光组的像差参量表达式均可分为两部分：一部分称为内部参数，是指光组各个折射面的曲率半径r、折射面间的间隔d和折射面间介质折射率n；另一部分参数称为外部参数，是指物距l、焦距f'、半视场角w和相对孔径D/f'等。

P,W不仅和内部参数有关，而且也和外部参数有关,成为内部参数与外部参数的桥梁。

光学系统的初始结构计算通常采用以下两种方式：即代数法（解析法）和缩放法。

代数法是根据初级相差理论来求解满足成像质量要求的初始结构的方法，又称PW法；而缩放法是根据已有光学技术资源和专利文献，选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构的方法。

双胶合玻璃透镜的结构参数的计算步骤如下：（1）由∞P 、∞W 按式()()202014W WA AP P +++=∞∞求0P（2）由0P 和I C 查附录1找出需要的玻璃组合，再查附录2,按所选玻璃组合找出1ϕ、0Q 、0P 、0W 。

（3）由式()020P Q Q A P +-=∞和式()00W Q Q K W +-=∞求Q ：AP P Q Q 00-±=∞()1200+-+=∞A W W Q Q将以上两式求得的Q 值比较，取其接近的一个值。

（4）根据Q 求折射球面的曲率半径1ρ、2ρ、3ρ。

计算公式为：Q n n r +-==1111111ϕρQ r +==1221ϕρ1111212233--+-==n Q n n r ϕρ（5）由上面求得的曲率半径是在总焦距为1的归化条件下的曲率。

从薄透镜可知，如果实际焦距为'f ，则半径和'f 成正比，即得： 1'1ρf r = 2'2ρf r =33'ρf r =本次课设主要采用解析法（PW 法）计算双胶合透镜的初始结构参数。

ZEMAX 软件介绍：ZEMAX 是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential 及Non-Seqential 的软件。

ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。

ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。

而且 ZEMAX 可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统， ZEMAX 光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。

包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。

ZEMAX 功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。

ZEMAX 能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。

ZEMAX 的界面简单易用， 只需稍加练习， 就能够实现互动设计。

ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。

同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。

手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。

ZEMAX 目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。

该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。

在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE （标准版）；ZEMAX-XE （扩展版）；ZEMAX-EE （工程版）。

第三章 设计过程：P 、W 法计算初始结构 （1）、选型。

这个物镜的视场角很小，所以轴外像差不大。

主要校正的像差为球差、正弦差和位置色差。

相对孔径也不大，故选用双胶合型，孔径广阑与物镜框重合。

（2）、确定基本像差参量。

根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有：∑-=I kk S u n L '''021δ∑-= S u n K kk s ''0'21∑-=∆Ikk FC C u n l '''01亦即 034=Φ=∞∑P h S I 022=Φ=∞∑WJh S022112=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=∑νϕνϕh C I由此可得像差基本参量为： 0=∞P ,0=∞W ,0=I C（3）、求0P 。

由式()201.085.0++=∞∞W P P()22.085.0++=∞∞W P P 可得：()1.085.00+-=∞∞W P P ()2.085.00+-=∞∞WP P因为玻璃为选好，可暂选用冕牌玻璃进行计算。

取1.00-=W ,并将∞P 和∞W 的值代入上式，得：()0085.01.0085.0020-=+-=P（4）、根据0P 和I C 从附录1查玻璃组合。

由于K9玻璃性能好而且熔炼成本地，因此应优先选用。

可选它和2ZF 玻璃组合，当0=I C 时，由附录1查得038.00=P 。

从附录2查得K9（5163.11=n ）和2ZF （6725.12=n ）组合的双胶合薄透镜组的各系数为：038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W009404.21=ϕ,并取A=（5）、求形状系数Q ： AP P Q Q 00-±=∞KW W Q Q 00-+=∞由于0P P <∞，不存在严格的消像差解，但因0P 值接近于∞P ，可认为00≈-∞A P P ，因此可得284074.40-==Q Q ，06099.00-==∞W W 。

（6）、求透镜各面的曲率（规划条件下的）：61726.115163.1009404.25163.14284074.011111=-⨯--=-+=n n Q ϕρ27467.212-=+=Q486.129211122123-=-+-+=n n n Q ϕρ （7）、求薄透镜各面的球面半径：165.30961726.15001'1===ρf r812.21927467.25002'2-=-==ρf r243.646486.12925003'3-=-==ρf r现将该透镜系统结构数据整理如下：02.0tan -=ω，物距-∞=L ,入瞳半径25=h ，入瞳距第一折射面距离0=z l（8）、求厚透镜各面的球面半径。

光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下：①光学零件外径的确定。

根据设计要求500'=f 和101'=fD ，可算出通光口径501050010'===f D 。

透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得，由此可得透镜的外径为。

②光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。

保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：对凸透镜：高精度D t d ≥+73 中精度D t d ≥+146其中还必须满足D d 05.0> 对凹透镜：高精度D t d ≥+28且D d 05.0≥ 中精度D t d ≥+416且D d 03.0≥式中，d 为中心厚度，t 为边缘厚度。

具体结构如图（1）所示。

根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。

凸透镜：D t d =+73()10321x x D t --=式中1x 、2x 为球面矢高，可由下式求得222⎪⎭⎫⎝⎛-±=D r r x式中r 为折射球面半径，D 为透镜半径。

图（1）双胶合透镜 将已知数据代入可求得12.11=x ，57.12=x然后，再将它带入式()10321x x D t --=的凸透镜最小边 缘厚度：()43.41051.237.5010321=⨯-=--=x x D t 凸透镜最小中心厚度：133.732.451.2211=+=++=x t x d凹透镜： 108812x x D t -+=3x 的求法同上，将已知数代入式222⎪⎭⎫⎝⎛-±=D r r x 得53.03=x 。

然后，再将它代入式108812x x D t -+=便可求得凹透镜最小边缘厚度：378.350.047.181.5322=+-=+-=x x t d③在保持u 和'u 角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。

薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的u 和'u 角不变，由式()nun u P ∆⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=21和式n u nu ni P W ∆∆∆-==1可知当u 和'u 不变时，P 、W 在变换时可保持不变，放大率亦保持不变。