光學(xué)課程設(shè)計(jì)--光學(xué)目鏡的設(shè)計(jì)

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1、目錄第1章緒論………………………………………1第2章像差簡(jiǎn)介…………………………………3第3章對(duì)稱式目鏡設(shè)計(jì)…………………………5第4章利用ZEMAX軟件優(yōu)化………………11第5章設(shè)計(jì)心得體會(huì)…………………………16參考文獻(xiàn)第1章緒論1.1光學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)儀器已普遍應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，光學(xué)儀器的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞，決定著光學(xué)儀器整體質(zhì)量的好壞。然而，一個(gè)高質(zhì)量的成像光學(xué)系統(tǒng)是要靠好的光學(xué)設(shè)計(jì)去完成，因此，光學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。光學(xué)設(shè)計(jì)所要完成的工作包括光

2、學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)儀器所提出的使用要求，來(lái)決定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸、和各光組的結(jié)構(gòu)等。為光學(xué)儀器設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)大體上可以分為兩個(gè)階段。第一階段是根據(jù)儀器總體的技術(shù)要求（性能指標(biāo)、外形體積、重量以及有關(guān)技術(shù)要求），從儀器的總體（光學(xué)、機(jī)械、電路及計(jì)算技術(shù)）出發(fā)，擬定出光學(xué)系統(tǒng)的原理圖，并初步計(jì)算系統(tǒng)的外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學(xué)特性等。一般稱這一階段的設(shè)計(jì)為“初步設(shè)計(jì)”或者“外形尺寸計(jì)算”。第二階段是根據(jù)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，確定每個(gè)透鏡組的

3、具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑、厚度、間隔、玻璃材料），以保證滿足系統(tǒng)光學(xué)特性和成像質(zhì)量的要求。這一階段稱為“像差設(shè)計(jì)”，一般簡(jiǎn)稱“光學(xué)設(shè)計(jì)”。評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，一方面要看它的性能和成像質(zhì)量，另一方面還要看系統(tǒng)的復(fù)雜程度。一個(gè)好的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在滿足使用要求（光學(xué)性能、成像質(zhì)量）的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。1.2光學(xué)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟光學(xué)設(shè)計(jì)就是選擇和安排光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)零件的材料、曲率和間隔，使系統(tǒng)的成像性能符合應(yīng)用要求。一般設(shè)計(jì)過(guò)程基本是減小像差到可以忽略不記的程度，光學(xué)設(shè)計(jì)可以概括為以下幾個(gè)步驟：選擇系統(tǒng)的類型

4、：（1）分配元件的光焦度和間隔：（2）校正初級(jí)像差：（3）減少殘余像差；以上每個(gè)步驟可以包括幾個(gè)環(huán)節(jié)，重復(fù)地循環(huán)這幾個(gè)步驟，最終會(huì)找到一個(gè)滿意的結(jié)果。第2章像差簡(jiǎn)介2.1球差自光軸上一點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)球面折射以后，不再是同心光束，其中與光軸成不同角度（或離光軸不同高度）的光線交光軸于不同的位置上，相對(duì)于理想點(diǎn)有不同的偏差，這種偏差稱之為球差，以其中代表一定孔徑高光線的聚焦點(diǎn)的像距；為近軸像點(diǎn)的像距。2.2正弦差及慧差正弦差：對(duì)于軸外物點(diǎn)，主光線不是系統(tǒng)的對(duì)稱軸，對(duì)稱軸是通過(guò)物點(diǎn)和球心的輔助軸。由于

5、球差的影響，對(duì)稱于主光線的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，它們不再相交于一點(diǎn)，在垂軸方向也不與主光線相交，即相對(duì)主光線失去對(duì)稱性。正弦差即用來(lái)表示小視場(chǎng)時(shí)寬光束成像的不對(duì)稱性。垂直于光軸平面內(nèi)有兩個(gè)相鄰點(diǎn)，一個(gè)是軸上點(diǎn)，一個(gè)是靠近光軸的軸外點(diǎn)，其理想成像條件是上式即所謂正弦條件。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)滿足正弦條件時(shí)，若軸上點(diǎn)理想成像，則近軸物點(diǎn)也理想成像，即光學(xué)系統(tǒng)既無(wú)球差也無(wú)正弦差，這就是所謂的不暈成像。對(duì)于近軸物點(diǎn)，用寬光束成像時(shí)也不能成完整像，故只能要求其成像光束結(jié)構(gòu)與軸上點(diǎn)成像的光束結(jié)構(gòu)一致，也就是說(shuō)，軸上點(diǎn)和近軸點(diǎn)有相同

6、的成像缺陷。欲滿足上述要求，光學(xué)系統(tǒng)必須滿足如下條件：這個(gè)條件稱為等暈條件。它是光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)成像有剩余球差時(shí)，近軸點(diǎn)或垂軸小面積成同質(zhì)像的充要條件。滿足等暈條件的成像成為等暈成像。式中，除是第二近軸光線計(jì)算的出瞳距（系統(tǒng)最后一面到出射光瞳的距離）以外，其他的量都是軸上點(diǎn)光線的量，為近軸區(qū)垂軸放大率?；鄄睿寒?dāng)光學(xué)系統(tǒng)不滿足等暈條件時(shí)，近軸點(diǎn)成像光束的的對(duì)稱性將被破壞，像方本應(yīng)對(duì)稱與主光線的各隊(duì)子午光線的交點(diǎn)將不再位于主光線上。稱這種不對(duì)稱性像差為慧差。2.3像散像散：在整個(gè)失對(duì)稱的光束中，子午面上的子午光束、弧

7、矢面上的弧矢光束，因?yàn)楹芗?xì)能各自會(huì)聚一點(diǎn)于主光線上，但子午細(xì)光束的會(huì)聚點(diǎn)(稱子午像點(diǎn))和弧矢細(xì)光束的會(huì)聚點(diǎn)(稱弧矢像點(diǎn))并不重合在一起，前者，子午像點(diǎn)比弧矢像點(diǎn)離開(kāi)系統(tǒng)最后一面近；后者則相反。與這種現(xiàn)象相應(yīng)的像差稱為像散。對(duì)于寬光束，由于球差和慧差的影響，根本會(huì)聚不到一點(diǎn)。2.4畸變?cè)趯?shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中，視場(chǎng)角較大或者很大時(shí)，像的放大率隨市場(chǎng)而異，不再是常數(shù)。一對(duì)共軛物平面上的放大率不為常數(shù)時(shí)，將使像相對(duì)于物失去了相似性，這種使像變形的缺陷稱為畸變。2.5色差描述軸上點(diǎn)用兩種色光成像時(shí)成像位置差異的色差稱為位置色

8、差，也稱軸向色差第2章對(duì)稱式目鏡設(shè)計(jì)3.1對(duì)稱式目鏡簡(jiǎn)介對(duì)稱式目鏡是目前應(yīng)用比較多的一種中等視場(chǎng)目鏡，如下圖所示，是由兩個(gè)雙膠合透鏡組成的。為了加工方便，大多數(shù)對(duì)稱式目鏡采取兩個(gè)透鏡組完全相同的結(jié)構(gòu)。由薄透鏡系統(tǒng)的消色差條件知道，如果這兩個(gè)透鏡組分辨消色差，則整個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)消除軸向色差和垂軸色差。另外，這種目鏡還能夠校正慧差和像散，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更緊湊，場(chǎng)曲更小。對(duì)稱式目鏡的視場(chǎng)可以達(dá)到