光學(xué)課程設(shè)計(jì)--縮放法設(shè)計(jì)對稱式目鏡

1、<p>　　光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 縮放法設(shè)計(jì)對稱式目鏡 </p><p>　　學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　年級專業(yè)： </p><p>　　學(xué) 號：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師職稱： 副教授 </p><p><b>　　《課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書</b></p>&

3、lt;p>　　基層教學(xué)單位： 自動化儀表系 指導(dǎo)教師：王志斌</p><p>　　說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份。</p><p>　　2013年 7 月 6 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 引言……………………………

4、……………4</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)原理……………………………………5</p><p>　　2.1 對稱式目鏡……………………………5</p><p>　　2.2縮放法…………………………………6</p><p>　　第三章 設(shè)計(jì)過程及上機(jī)軟件優(yōu)化分析……………7 </p><p>　　第四章 心得

5、體會……………………………………23</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………23</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　目鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。被視察的物體通過望遠(yuǎn)鏡和顯微物鏡成像在目鏡的物方焦平面處，經(jīng)目鏡系統(tǒng)放大后將其成像在無窮遠(yuǎn)處，供人眼觀察。</p>&l

6、t;p>　　從目鏡的光學(xué)特性來講，具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）焦距短。一般目鏡的焦距在15mm-30mm左右，和一般望遠(yuǎn)鏡比起來，焦距短是它的一個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　　（2）相對孔徑比較小。由于目鏡的出射光束直接進(jìn)入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直徑一般在2mm-4mm左右變化，因此大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室儀器出瞳直徑一般在2mm左右，目鏡焦距常用的范圍為15mm-30mm，故目鏡的

7、相對孔徑一般小于1/5.</p><p>　?。?）視場角大。通常在左右，廣角目鏡的視場在左右。</p><p>　　（4）入瞳和出瞳遠(yuǎn)離透鏡組</p><p>　　目鏡設(shè)計(jì)原則：在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，通常按反向光路計(jì)算像差，即假定物平面位于無限遠(yuǎn)，目鏡對無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像，在目標(biāo)的焦面上衡量系統(tǒng)的像差。至于目鏡的光瞳位置，可以按兩種方式給出。第一種方式是把實(shí)際系統(tǒng)的出瞳作為反

8、向光路時(shí)目鏡的入瞳，給出入瞳距離p，入瞳直徑D等于系統(tǒng)要求的出瞳直徑。在目鏡像差校正的過程中，要求保證邊緣視場的主光線通過正向光路時(shí)物鏡的出瞳中心（即正向光路目鏡的入瞳中心）。其他視場的主光線，由于存在光闌球差并不通過同一點(diǎn)，這樣計(jì)算出來的像差和實(shí)際成像光束的像差雖完全不同，但一般較小，可以忽略。第二種方式是如果像差計(jì)算程序能夠在給出實(shí)際光闌后自動求出入瞳位置，并用調(diào)整主光線位置的方法，保證不同視場的主光線通過實(shí)際光闌的中心。這樣可以把

9、正向光路時(shí)物鏡的出瞳作為實(shí)際光闌給出，計(jì)算出來的像差和實(shí)際成像光是的情況符合。本設(shè)計(jì)采用第一種方法。</p><p>　　在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡中，目前常用的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅耳目鏡、對稱式目鏡、無畸變目鏡和廣角目鏡。</p><p>　　對稱式目鏡是目前應(yīng)用很廣的一種中等視場的目鏡，本設(shè)計(jì)采用縮放法設(shè)計(jì)對稱式目鏡。 </p><p><b>　

10、　第二章 設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>　　2.1 對稱式目鏡</b></p><p>　　對稱式目鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　它由兩個(gè)雙膠合透鏡組合而成，雖然目鏡組的總厚度比較大，我們?nèi)钥梢园阉醋魇且粋€(gè)薄透鏡組來近似的分析像差的性質(zhì)。由薄透鏡系統(tǒng)的消色差條件知道，如果這兩個(gè)膠合透鏡分別消色差，則整個(gè)透

11、鏡組同時(shí)消除了軸向色差和垂軸色差。根據(jù)薄透鏡組單色像差的性質(zhì)，一個(gè)薄透鏡可以校正兩種象差，因此是能夠校正目鏡中需要矯正的象差和慧差的。</p><p>　　大多數(shù)對稱式目鏡采取兩個(gè)透鏡組完全相同，這樣比較方便。</p><p>　　對稱式目鏡的特點(diǎn)是垂軸色差和軸向色差都能校正的較好，象散和慧差也可以達(dá)到很好的校正，出瞳距離較大，可以達(dá)到，視場大約為。</p><p>

12、;　　對稱式目鏡還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即場曲比較小。</p><p>　　對于兩個(gè)分離薄透鏡組構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，它的總光焦度為：</p><p><b>　　兩者之比為：</b></p><p>　　由以上公式可以看到，當(dāng)，均為正時(shí)，兩透鏡之間的間隔d隨之增加，則場曲隨之增大。當(dāng)，一個(gè)為正另一個(gè)為負(fù)時(shí)，則d增加，場曲減小，因此為了減小一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的場曲

13、，應(yīng)該使系統(tǒng)中正透鏡盡量密接，而負(fù)透鏡則和正透鏡盡量遠(yuǎn)離。在對稱式目鏡中，兩個(gè)正透鏡密接在中間，兩個(gè)負(fù)透鏡在兩側(cè)，因此場曲比較小。</p><p>　　凱涅耳目鏡，冉斯登目鏡，惠更斯目鏡也全部是由正透鏡組成的，兩個(gè)正透鏡之間有較大的間隔，因此場曲比較大，它們對應(yīng)的值如下列所示：</p><p>　　對稱式目鏡 =0.6</p><p>　　凱涅耳目鏡

14、 0.8</p><p>　　冉斯登目鏡 1.0</p><p>　　惠更斯目鏡 1.3</p><p>　　對稱式目鏡是中等視場的目鏡中像質(zhì)比較好的的一種，出瞳距離也較大，有利于縮小整個(gè)儀器的體積和重量，因此在一些中等倍率和出瞳距離要求較大的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中使用的很多。</p><p><b>　　2.2縮放

15、法</b></p><p><b>　　縮放法步驟：</b></p><p><b>　　1.物鏡選型 </b></p><p><b>　　2.縮放焦距</b></p><p><b>　　3.更換玻璃</b></p>&l

16、t;p>　?。?）保持色差不變更換玻璃</p><p>　　（2）更換玻璃校正色差</p><p><b>　　4.估算高級像差</b></p><p><b>　　5.檢查邊界條件</b></p><p><b>　　表1 初始參數(shù)</b></p>&l

17、t;p>　　第三章 設(shè)計(jì)過程及上機(jī)軟件優(yōu)化分析 </p><p>　　已知技術(shù)要求為視場，焦距30mm，出瞳直徑3mm，出瞳距離6mm。具體過程如下。</p><p>　　從相關(guān)資料中得到一種與設(shè)計(jì)要求較為接近的目鏡結(jié)構(gòu)。如果所選的目鏡參數(shù)越接近所要設(shè)計(jì)的參數(shù)，則越容易校正和平衡像差，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將資料中的各項(xiàng)參數(shù)輸入到計(jì)算程序相應(yīng)的選項(xiàng)中，見表1。</p>

18、<p>　　在工具欄里選擇“生成焦距”項(xiàng)，輸入所要設(shè)計(jì)的的目鏡焦距30。，則系統(tǒng)自動將初始的結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮放，縮放時(shí)所有的角量和相對量不變。得到的目鏡二維圖像如圖3所示。</p><p>　　圖2 目鏡的二維圖像</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的目鏡屬于對稱式目鏡，在一定的出瞳距離和視場角的要求下，系統(tǒng)的像差增大，重點(diǎn)和難點(diǎn)也在于校正和平衡目鏡的像差同時(shí)獲得理想的傳遞函數(shù)MTF。像差平

19、衡是一項(xiàng)通過反復(fù)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)以逐步逼近最佳效果的工作。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于光學(xué)設(shè)計(jì)后，先是取代了繁瑣的光路計(jì)算，隨后又用于像差的自動平衡。應(yīng)用像差的自動平衡方法不僅大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，而且顯著提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。最后需對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，即認(rèn)為像差已全面平衡和校正得到良好程度后，需對像質(zhì)做全面評價(jià)，以確定設(shè)計(jì)結(jié)果是否達(dá)到要求。如果沒有達(dá)到要求，則仍需做像差平衡工作；如果屬于結(jié)構(gòu)形式的局限或初始參數(shù)不合理，則應(yīng)另選結(jié)構(gòu)型式或另定初始參數(shù)，并重復(fù)前面的

20、工作。對于不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用不同的像質(zhì)評價(jià)方法。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)在人工調(diào)整階段利用像差變化圖進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的像差校正時(shí)，假定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和像差之間符合線性關(guān)系（實(shí)際上，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和像差之間是非線性關(guān)系）。</p><p>　　在這一階段，同時(shí)參加校正的像差數(shù)和自變量數(shù)都不能太多，在每次校正中選擇幾種重要的，對像質(zhì)影響較大的參數(shù)進(jìn)行校正。在調(diào)整階段，主要遵循以下原則：<

21、;/p><p>　　入射角很大的一面彎向光纜，以使主光線的的偏角盡量小，從而減小軸外像差。</p><p>　　選擇對像差變化敏感、貢獻(xiàn)量較大的曲面，改變其曲率半徑，以調(diào)整該曲面對整個(gè)系統(tǒng)的影響。</p><p>　　像差不可能完全校正到完美無缺的理想程度，最后的像差應(yīng)有的合理的匹配。這主要是指軸上點(diǎn)的像差與各個(gè)視場的軸外像差要盡可能一致。軸上點(diǎn)或近軸點(diǎn)的像差與軸外點(diǎn)的

22、像差不要有太大的區(qū)別，使整個(gè)視場內(nèi)的像質(zhì)比較均勻，至少使0.7視場以內(nèi)的像質(zhì)比較均勻。為確保0.7視場內(nèi)有較好的成像質(zhì)量，必要時(shí)寧愿放棄全視場的像質(zhì)（讓它有較大的像差），因?yàn)?.7視場以外是成像區(qū)的非主要區(qū)，其像質(zhì)可以適當(dāng)降低。</p><p>　　連續(xù)改變每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)以計(jì)算出相差變化量，從中可分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對各種像差影響的大小和方向，最后決定改變那幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，變多少，向哪個(gè)方向變，再計(jì)算出新的像差結(jié)果。多次重

23、復(fù)前面的工作，直到整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。</p><p>　　利用透鏡自身或透鏡處于特殊位置時(shí)的像差性質(zhì)。例如，處于光闌位置或與光</p><p>　　闌位置相接近的透鏡或透鏡組，主要用于改變球差和慧差；遠(yuǎn)離光闌位置的透鏡組，主要用于改變像散、畸變和倍率色差。在像面或像面附近的場鏡可矯正像面彎曲。</p><p>　　初始結(jié)構(gòu)的像差曲線為：</p>

24、<p>　　由圖像得出該系統(tǒng)的球差，慧差，像散和場曲及垂軸色差都比較小，所以不用調(diào)整。</p><p>　　下圖是初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線：</p><p>　　從圖中可以看出，在空間頻率為40lp/mm時(shí)，軸外的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF不理想，所以要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高系統(tǒng)的傳函值。</p><p>　　調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：</p>

25、<p>　　調(diào)整后的二維圖像如下：</p><p>　　調(diào)整后的像差曲線如下：</p><p>　　調(diào)整后的MTF曲線如圖：</p><p>　　由以上圖可以看出，雖然軸上的傳遞函數(shù)有明顯的改善，可是該系統(tǒng)的球差，慧差，像散，場曲及色差都明顯增大。再次經(jīng)過人工調(diào)整，得到的參數(shù)如下：</p><p>　　調(diào)整后的二維圖像如下：<

26、/p><p>　　調(diào)整后的像差曲線如圖：</p><p>　　從上面的圖形可以看出，該系統(tǒng)的像差得到了較好的校正，相差之間達(dá)到了合理的匹配。</p><p><b>　　MTF曲線如下：</b></p><p>　　雖然較上次調(diào)整MTF曲線有所下降，考慮到要有較小的像差，二者結(jié)合可以得到較好的像質(zhì)。</p>&

27、lt;p>　　在保證技術(shù)指標(biāo)及透鏡和透鏡結(jié)構(gòu)工藝要求的前提下，對系統(tǒng)進(jìn)行自動優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如下：</p><p>　　優(yōu)化后的二維圖像如下：</p><p>　　修改半口徑得到較好的二維圖像：</p><p><b>　　像差圖像如下：</b></p><p><b>　　MTF曲線如下：</b&g

28、t;</p><p>　　由以上圖可知：系統(tǒng)的像差有所增大，但傳遞函數(shù)有所提高。因?yàn)槟承┫癫钪g有一定的制約關(guān)系，所以像差之間如果能達(dá)到合理的匹配，整個(gè)系統(tǒng)才能得到較好的成像質(zhì)量。</p><p><b>　　第四章 心得體會</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，使我掌握了光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的過程，學(xué)會了zemax軟件的基本使用方法，了解

29、了對稱式目鏡。也使自己對光學(xué)設(shè)計(jì)這門課程有了更深刻的理解。在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。我認(rèn)識到光學(xué)儀器設(shè)計(jì)是一個(gè)需要十分的耐心和細(xì)心的工作，在像差平衡的時(shí)候，要不斷地調(diào)整各個(gè)參數(shù)，達(dá)到很好的效果。在課程設(shè)計(jì)過程中，多和同學(xué)討論，能夠避免走很多彎路。在課程設(shè)計(jì)過程中，自

30、己不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。認(rèn)真，細(xì)心，才能取得好的效果。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜

31、悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會及他人對你的認(rèn)可！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.劉鈞，高明編著，《光學(xué)設(shè)計(jì)》，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，西安</p><p>　　2.《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊》，1971，國防科技出版社，北京</p><p>　　3.光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX</p