光学设计及CAD课程设计
题目：双胶合望远物镜设计
专业：光信息科学与技术
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光学设计及CAD 课程设计
一.题目：双胶合望远物镜设计
二.设计要求
1.工作波段：可见光；
2.焦距：f ’=80mm ；
3.相对孔径：D/f ’=1/4；
4.视场角：2ω=8°；
5.双胶合玻璃材料：K9+F2
（nK9=1.51637，νK9=64.07；nF2=1.61280，νF2=36.9）
三.设计过程
（一）物镜光学特性计算
1.由于焦距f ’=80mm ，相对孔径D/f ’=1/4，计算可得入瞳直径D=20mm ；
2.光焦度0125.080
1'1===f φ； 3.视场角2ω=8°，因此ω=4°。
（二）初始结构参数计算
根据初级像差理论，采用求解法获得初始结构参数。
对于双胶合物镜消色差条件为：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧--=-=⇒⎪⎩⎪⎨⎧=+=+ϕνννϕϕνννϕϕϕϕνϕνϕ212221112122110 将02.050
1==φ，07.641=ν，87.332=ν带入上式： ⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧-=⨯=--==⨯=-=016976.08019.36-07.649.36-02947.08019.36-07.6407.6421222111ϕνννϕϕνννϕ 即可得到双胶合正、负透镜的焦距分别为：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧-====mm f mm f 91.581'993.331'2211ϕϕ 由于初级色差和透镜形状无关，为方便起见，选双凸（r 2=-r 1）透镜为正透镜，利用薄透镜的光焦度公式：
()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=21
111r r n ϕ 将02947.01=φ，n 1=1.51637，及r 2=-r 1带入上式，得到正透镜的曲率半径：
()()⎪⎪⎭⎫
⎝⎛--=⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=112111111-51637.102947.0111r r r r n ϕ
计算得r 1=35.04mm ，r 2=-35.04mm 。
将016976.0-2=φ，n 2=1.6128，带入上式，得到负透镜的曲率半
径：
()()⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-=⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=323222111-6128.1016976.0-111r r r r n ϕ
计算得r 2=-35.04，r 3=-1196.17mm 。
由于玻璃厚度对像差影响不大，根据经验取d 1=10mm ，d 2=4mm 。
（三）初始结构
将以上初试结构带入光学设计软件ZEMAX 中，其透镜数据如下图所示：
下图为初始结构相应的输出图：
初始结构的纵向像差如下图所示：
（四）像差的校正与平衡
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是：相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与视场有关的像散，场曲，畸变和倍率色差，只需校正球差，和位置色差。
1.建立评价函数
打开Editors下拉菜单中的Merit Function，创建优化函数。
本设计需要控制焦距、全孔径球差和0.707孔径位置色差，评价函数如下图所示。
2.变量的选择
由于玻璃厚度对像差的影响很小，因此选择1r、2r、3r三个曲率
半径作为变量。
具体方法是按Ctrl+Z设定变量，如下图所示。
3.优化
打开优化Opt（Optimization）对话框进行像差与优化，单击“Automatic”，系统执行自动优化。
四.设计结果
优化后得到透镜数据如下图所示：
下图为设计结果相应的输出图：
设计结果的纵向像差如下图所示：
五.设计心得体会
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。
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。
1 设计性实验的关键是方案的选择，核心是设计，目的是将已掌握的知识应用于实践中，通过对光学望远物镜的设计，是我们在这几方面都得到初步的训练。
2 设计过程中重新学习了光学的有关内容，加深了对知识的了解。
3 学习到了基本的光学设计流程，从外形尺寸的计算到光学元件
的选择，及相差的设计。
4 对望远物镜等有了整体的认识，熟悉了光学系统设计的基本指标和参数。
5 由于设计的灵活性，学生自由空间大，希望以后多开设这样的课程设计。