大连民族学院工程光学课程设计(论文)平行光管物镜设计学院(系):物理与材料工程学院专业:光电子技术科学学生姓名:任增鑫学号:2010053216指导教师:芦永军完成日期:2013-11-18大连民族学院摘要平行光管是通过它取得来自无限远的光束,此光束谓之平行光。
是装校调整光学仪器的重要工具,也是光学量度仪器中的重要组成部分,配用不同的分划板,连同测微目镜头,或显微镜系统,则可以测定透镜组的焦距,鉴别率,及其他成像质量。
将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上,用附配于光管的高斯自准目镜头,通过光管上的高斯目镜观察,可以进行运动工件的直线性检验。
在实际成像过程中,物体成的像应该与设计的光学系统一致,达到设计要求的放大倍数。
所以,可以通过近轴光学公式计算出理想成像的位置和大小,近似地代表实际光学系统中所要求成的像的位置和大小。
近轴光学公式对于工程光学设计有着重要的意义和作用,根据近轴光学公式的性质,它只能适用于近轴区域,但是实际使用的光学仪器,无论是成像物体的大小,或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。
平行光管物镜物镜采用双胶合结构。
双胶合结构能够很好的校正几种初级像差,而且结构简单,所以大多用此结构进行设计。
关键词:平行光管物镜;微小角度;近轴光学公式;双胶合结构目录摘要 (I)设计要求: (2)第一章绪论 (2)第二章Zmeax光学设计软件简介 (3)第三章平行光管物镜参数的手工计算 (5)第四章课程设计结果Zmeax验证 (7)致谢 (9)设计要求:设计要求:采用双胶合(Doublet)结构,D/f=1/6,半像面尺寸:5.25mm半视场角:1°设计波长:0.486um、0.587um、0.656um,口径D:50mm计算:系统焦距f,后焦距(BFL)第一章绪论光学设计过程中的基本知识一、基本成像概念1、光学系统的作用:对物体成像2、共轴光学系统:若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直线上,则该光学系统是共轴光学系统。
3、光轴:光学系统中各个光学元件表面的曲率中心的连线。
4、光线追迹:对于光学镜片而言,设计其的光路轨迹,所应用的一种技术。
二、近轴光线的光路计算概念:近轴光学、近轴光线近轴光学:几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学,或称近轴光学。
它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。
近轴光线:两个光学元件的中心高度确定一个中心轴,近似平行于中心轴的光。
公式:l r i u r-=⨯ 'u u i i =+- ''n i i n = '''ri l r u=+ 转面公式:'u u ='l l d =-第二章 Zemax 光学设计软件简介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软件可以实现的主要功能:几何光学设计:各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度环境分析、生产加工分析。
物理光学设计:各种激光系统及元件的设计及分析,光学相干衍射特性分析、光纤耦合等。
照明系统设计:各种照明系统的设计,包含光机设计,可以个Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等。
扩展功能:ZEMAX软件可以和C语言、C++、VB等编程语言进行配合使用。
以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域,在各个领域中该软件都可以实现自动的优化求解,使用非常便捷,是目前全球光学工程师应用最广泛的设计软件!ZEMAX功能强大:1.玻璃材料离散优化方法:可以指定材料库进行玻璃牌号的优化,此方法配合高级优化进行,软件可以自动方便的寻找软件指定玻璃牌号的材料。
2.直观的成像质量分析:当您设计好一款镜头的时候,可以将一个BMP格式的图片放在物方,用这个功能可以快速的看到经过镜头后成像在像面上的成像图片的质量。
成像分析方便直观。
3.丰富的光学棱镜和元件库:在ZEMAX-EE版软件中,有丰富的光学元件及棱镜库,方便调用、使用灵活、材料尺寸可以随意定义。
4.照明系统快速优化功能:最新版的ZEMAX-EE对于照明系统的优化速度提高了50倍,是同类软件无法相比的。
同时采用传统的评价函数的设定方式,使用方便。
5.功能强大的全局优化算法。
6.公差分析可以模拟生产加工及装配。
有些光学系统用在很广的温度范围或不在常温下使用时,需要考虑温度和压力的影响。
ZEMAX使用非线性温度模型,而不是简单的dn/dt近似。
ZEMAX可以指定或优化温度膨胀系统的透镜或组件之间的间距,玻璃目录包括温度和压力数据,以支持温度效应分析计算,可以精确地仿真光学面的温度膨胀特性。
巨集:ZEMAX支持巨集语言,称为ZPL,其结构有点像BASIC,也支持函数调用、自定义数组、数字和字串、文本和图形输出等。
针对更复杂的分析功能,ZEMAX支持延伸功能程序界面,叫Extensions,可在外部程序的控制下进行光线追迹、分析和优化,可用C或C++语言编写。
偏振光追迹:ZEMAX具有全面的偏振光追迹和分析能力,可以任意定义输入光线的偏振态,ZEMAX可考虑穿透、反射、吸收、偏振态、衰减和延迟。
偏振光追迹可要求计算面和体材料的效应,面效应决定于面上的光学薄膜特性。
薄膜模型:ZEMAX具有薄膜的建模能力,可定义多层金属或介电质膜。
薄膜可以用在介电质或金属基底上,可以由任意层数、任意材料组成,每种材料可以由复折射率定义。
在设计成像系统时,点光源能够精确描述很多方面的成像质量,但是扩展光源对观察畸变 (特别是非径向畸变)很有用,用来检查像的方向、分色及定量观察整个系统的性能。
ZEMAX支持二种扩展光源:ASCII格式的光源,是一些简单的形状,如字母、方块等,也支持彩色的Windows BMP和JPG格式的光源,它可以对光源进行缩放、旋转,也可以放在视场中的任何地方。
材料建模:ZEMAX中有详细的体吸收模型,包括任意波长、任意厚度的玻璃穿透率,体吸收会使光线衰减,衰减的程度决定于光线的光程、材料特性和波长,所有材料都可以定义吸收或穿透特性。
偏振数据:ZEMAX可以定义偏振与非偏振入射光束,可在3D空间中追迹电场矢量,包括每个面的交点处之S和P分量,其偏振分析结果可以是表格数据或图形数据。
双折射材料:ZEMAX可仿真双折射单轴晶体,如方解石。
其介质的有效折射率是角度(与面法线及晶轴的夹角)的复函数,因此这些材料的光线追迹相当复杂,ZEMAX 可全面地以3D处理传播的光线,可正确计算任何入射角、任意晶轴方向的任何偏振态之相位,也可考虑偏振穿透率,另外o光和e光的路径也可计算,其中还包含双折射材料库,任何色散的新材料都可以自定义。
第三章平行光管物镜参数的手工计算3.1平行光管物镜初始结构参数3.1.1平行光管的定义:平行光管英文名称:collimator平行光管是通过它取得来自无限远的光束,此光束谓之平行光。
是装校调整光学仪器的重要工具,也是光学量度仪器中的重要组成部分,配用不同的分划板,连同测微目镜头,或显微镜系统,则可以测定透镜组的焦距,鉴别率,及其他成像质量。
将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上,用附配于光管的高斯自准目镜头,通过光管上的高斯目镜观察,可以进行运动工件的直线性检验。
3.1.2平行光管的主要用途:主要是用来产生平行光束的光学仪器,是装校调整光学仪器的重要工具,也是光学量度仪器中的重要组成部分,配用不同的分划板,连同测微目镜头,或显微镜系统,则可以测定透镜组的焦距,鉴别率,及其他成像质量。
3.1.3平行光管工作原理:将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上,用附配于光管的高斯自准目镜头,通过光管上的高斯目镜观察,可以进行运动工件的直线性检验。
光源发出的光经聚光镜会聚与分光板反射后均匀照亮分划板。
当分划板位于物镜的焦面上时,分划板的像在物镜像空间的无穷远处,即由平行光管发出的光是平行光束。
3.2 光线追迹求解系统焦距f 及后焦距值BFL第一面光路追迹平行光入射 h=25mm250.13644183.22843h i r === ''10.136440.089761.52n i i n ==⨯= ''0.136440.089760.04668u u i i =+-=-='''183.228430.08976183.22843535.554560.04668ri l r u ⨯=+=+= 第一次转面'0.04668u u =='8535.554568527.55456l l =-=-=第二面光路追迹527.55456(135.406383)0.046680.228550135.406383l r i u r ---=⨯=⨯=-- '' 1.52(0.228550)0.2080221.67n i i n ==⨯-=- ''0.04668(0.228550)(0.208022)0.026152u u i i =+-=+---='''(135.406383)(0.208022)(135.406383)941.6625450.026152ri l r u -⨯-=+=-+= 第二次转面'0.026152u u ==' 2.5941.662545 2.5939.162545l l =-=-=第三面光路追迹939.162545(400.834502)0.0261520.087427400.834502l r i u r ---=⨯=⨯=-- '' 1.67(0.087427)0.1460031n i i n ==⨯-=- ''0.026152(0.087427)(0.146003)0.084728u u i i =+-=+---='''(400.834502)(0.146003)(400.834502)289.8821420.084728ri l r u -⨯-=+=-+= 系统焦距 ''25295.061845tan()0.084728h h f u u ==== 后焦距(BFL ) '289.882142BFL l ==第四章 课程设计结果Zemax 验证295.061845f =mm 289.88214BFL =mm图光线追迹图图1:光线追迹一维图图2:光线追迹三维立体图平行光管物镜图3:ZEMAX软件计算的参数图根据ZEMAX验证,手工计算结果与实际结果基本一致,误差很小。