工程光学课程设计双胶合透镜的镜片
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工程光学课程设计
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设计题目一
设计一个望远镜系统，如图所示。
D/f ’=1/4,f ’=100,光阑在物镜上，视场为2°
20 一 计算过程
1 求棱镜的尺寸跟象差： 通光口径D=100/4=25mm
像方孔径角u ’=y/f ’=0.5×25/100=0.125 视场角u ’p =tan2°=0.035
取直角屋脊棱镜的玻璃材质为k9玻璃，其等价玻璃板光路长 L=p ·Dm=1.732Dm
D m1=D0+d(2u ’p –D0/f) ≈21.4
D m2=p
p pfu pD nf fd u d D f D n '0'002)2(-++-≈17.75
Dm 取二者中较大的，即Dm=21.4mm 。
光路长度L=p*Dm ≈37.06mm 求棱镜的初级像差系数
S Ⅰ=L ·(1－n 2) ·u ’4/n 3 =－0.00337,
S Ⅱ=L ·(1－n 2) ·u ’3·u ’p /n 3 =－0.000943, S Ⅲ=L ·(1－n 2) ·u ’2·u ’2p /n 3=－0.000264
其中n=1.5163，L=37.06，u ’=0.125，u ’p =0.035 棱镜的初级色差为C Ⅰ=d ·(1－n)·u 21/vn 2≈－0.00203 C Ⅱ=d ·(1－n)·u ’p ·u ’/vn 2≈－0.000567。
其中 d=L=37.06, u 1= u ’=0.125
2根据对物镜像差的要求，可以求得P ∞,W ∞, C Ⅰ。
直角屋脊棱镜的像差由物镜补偿
S Ⅰ=y ·P ∞=0.00337 P ∞= S Ⅰ/y ≈0.00027
S Ⅱ=y p ·P ∞+j ·W ∞ j=y ’·n ’·u ’p －n ’·u ’·y ’p =0.4365 所以W ∞= S Ⅱ/j=0.002158
3可求得P,W, C Ⅰ的归化值
y ψ=12.5*0.01=0.125则P ∞= P ∞/（y ψ）3=0.13824 W ∞= W ∞/（y ψ）2=0.13811， C Ⅰ= C Ⅰ/y 2ψ=0.001299。
4求得P 0值，选择冕牌在前
P 0= P ∞－0.85（W ∞－0.1）2≈0.137。
由P 0=0.137，C Ⅰ=0.0013查P 0表，找出合适的双胶合透镜的玻璃组合。
选择的玻璃种类是BaK7和ZF3
玻璃对n νP
0φ
1
Q
W
BaK7 1.5688 56.05 0.15177 2.050808 -4.113188 -0.067488 ZF3 1.7172 29.51
Q 1= Q
±√（P∞－P
）/2.35 =－4.0374或－4.189，
Q 2= Q
－（W∞－W
）/1.67= －4.2634
取Q为Q
1，Q
2
二者中相近两个数的平均值，则Q=－4.2127。
5计算双胶合透镜各个面的曲率半径
C 2=ψ
1
+Q=－2.1619，得r
2
=1/ C
2
=－0.4625;
C 1=[ψ
1
+(n
1
－1) C
2
]/(n
1
－1)=1.4435,得r
1
=1/ C
1
=0.6927;
C 3=ψ
1
+Q－(1－ψ
1
)/ (n
2
－1)=－0.6967,得r
3
=1/ C
3
=－1.4352;
6求双胶合透镜的实际结构参数
由f=100,f/#=f/4,D=25, u
p
=±3°,得双胶合透镜的实际结构参数
r
1
=0.6927×100=69.27mm,
r
2
=－0.4625×100=－46.25mm,
r
3
=－1.4352×100=－143.52mm。
取正透镜中心厚度为5mm, 负透镜中心厚度为3mm。
调试过程：
以下图片是由光学镜头设计软件ZEMAX设计调整镜头时所截。
根据计算结果在ZEMAX的Lens Data Editor中输入初始数据，如图所示
初始的球差曲线如图：
通过调整曲率半径和厚度来校正球差：
下图为经过调整后最终所得的双胶合透镜的球差图。
下表为经过调整后最终所得的双胶合透镜的结构参数。
调整后的调制传递函数
透镜结构图
下图可见仍存在着彗差
点扩散函数可见该系统点光源成像还是比较理想的
实验心得：通过这次实验，让我们对所学的光学知识有了进一步的认识，了解了光学系统设计的基本步骤，并自己动手设计出了双胶合透镜的镜片。
在设计过程中，我们遇到了不少的问题，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，只好通过调整玻璃厚度来满足要求。
所以凸透镜结构过厚，这是设计中的最大缺陷。
调制传递函数基本符合要求，但也不是很理想，应加以改进。