燕山大学
课程设计说明书题目：摄远物镜设计
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电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：光学仪器基础课程设计
目录
第1章摘要 (3)
第2章 ZEMAX软件和设计方法 (4)
2.1 ZEMAX软件介绍 (4)
2.2 设计方法 (5)
第3章设计过程 (6)
3.1初始结构的选择 (6)
3.2 ZEMAX的设计 (8)
3.3 ZEMAX软件优化 (8)
第4章心得体会 (14)
参考文献 (15)
第一章摘要
本课程的任务是在学习工程光学基础、光学测试技术等技术基础课程的基础上，进行光学仪器的设计，目的是了解光学设计中主要的环节，掌握光学仪器设计、开发的基本方法，以便今后能从事光学仪器的设计、研发工作。

本课程主要研究光学仪器设计中的基本部分，如：光源、目镜、物镜、分化板等，以及光学仪器设计中考虑的基本问题，如：物象位置关系、5系统放大倍数、系统分辨率、相差等。

课程涉光学基础、光学测试技术、误差理论及数据处理、精密仪器设计等多方面。

了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。

初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。

望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。

目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析。

关键词：光学系统成像质量像差像距摄远物镜
第二章ZEMAX软件和设计方法
2.1 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）。

2．2 设计方法
从相关资料中得到一种与设计要求较为接近的物镜结构。

如果所选的物镜参数越接近所要设计的参数，则越容易矫正和平衡像差，从而达到设计要求。

将资料中的各项参数输入到计算机程序相应的选项中，则系统将初始的结构进行缩放，缩放时所有的角量和相对量不改变。

在光学技术手册查询后选定初始结构的参数为：
第三章设计过程
3.1初始结构的选择
摄远物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以摄远物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。

在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。

3．2 ZEMAX的设计
将上述所得参数输入zemax，其中第一面设为光阑面，移动光标到STO 光阑面，插入7个新的面，在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入镜片厚度；在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框Solve Type选中Model，Index nd中输入n值Abbe Vd中输入v值。

定义相对孔径：选择system-general-aperture中输入相对孔径值57.044mm
定义波长：在system-wavelength中输入所选波段
定义视场：在Fie Data中输入所选择的依次乘以0，0.7，1得到所选孔径光束的Y-field，即0，3.745，5.35输入到system-field中，类型选择真值高度。

3.3 ZEMAX软件优化
一般来说，透镜组的全部结构参数都可以用作优化变量参与优化。

本次课设主要是对透镜的曲率半径进行优化。

ZEMAX软件自动校正的前提是，假定可以定义一个评价函数，它唯一地表征了一个光学系统的成像质量。

该评价函数的值越小，光学系统的成像质量就越好；评价函数的值越大，光学系统的成像质量就越差。

评价函数定义的越合理，就越能真实地表征光学系统的成像质量。

1、评价函数
2、设计草图
（1）、镜头数据
（2）综合误差（Ray）
(3)点列图（Spt）
(4)场曲
系统有较大的像差存在，主要为场曲与畸变，像质不好，需进一步优化。

3、优化后像质评价报告图
（1）镜头数据
（2）综合误差（Ray）
（5）光学传递函数（Mtf）
第四章心得体会
通过这次课程设计，让我对所学的光学知识有了进一步的认识，并且了解了光学系统设计的基本步骤，学会使用光学设计软件——ZEMAX，并自己动手设计出了摄远物镜。

刚开始，我对设计的总体思路都没有一个大概的印象，于是到图书馆和上网查阅资料，看了以前上试验课时的PPT和一些资料，才对要使用的软件有大致的了解，更难得是安装的ZEMAX 是全英文的，还好又安上了中文版的。

之后再是对我们课题进行慢慢的细细研究，终于有了点思路，即先分析设计的要求，按照缩放发，首先查找资料，从透镜库中找到了一款摄远物镜，然后用ZEMAX系统软件提供了一个自动优化功能，我们可在人为设计完成后进行自动优化，在把优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。

在设计过程中，我遇到了不少的问题，并在探讨和尝试中逐步解决。

D光的边缘带球差校正比较理想，F线和C线的球差曲线很难相交在0.707带，两块玻璃的折射率相差不是很大，在调试过程中很难达到理想状态，只好通过调整曲率半径来满足要求。

调制传递函数基本符合要求，但也不是很理想，应加以改进。

虽然设计成果很不令人满意，但是，在此过程中我明白了光学设计这一学科学习的关键之处，就是不断地尝试，不断地纠正，没有最正确的答案，只有更好的不断改进的结果，这是我在此课设过程中感悟到的最深刻的理解，相信这对我今后的学习生活会有很大帮助。

最后感谢王志斌老师在课设过程中对我们悉心的指导与帮助，使我能够顺利的完成本次课设！
参考文献：
1、刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，第75页到第90页、第244页到259页。

2、《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京，第48页，第64页。

电气工程学院课程设计评审意见表。