第15章单透镜设计
15.1 设计任务
设计一个焦距为100mm，相对孔径为1/5的单透镜系统，全视场2ω为10o，物距为无限远，在可见光下工作，选用K5玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。
15.2 设计过程
我们新建一个“LENS.ZMX”文件。点击菜单栏中的“文件（File）”，将刚刚新建的文件另存为（Save As...）名为“单透镜设计”的文件，保存类型按默认设置，即文件名称的后缀为“.ZMX”。在屏幕中有一个名为“透镜数据编辑（Lens Data Editor）”的窗口，如图15-1所示。
图15-1透镜数据编辑（Lens Data Editor）窗口
图15-2 General 窗口
第一步：输入系统参数——入瞳直径值
System→General...
可以打开“General”窗口，如图15-2所示。因为系统的焦距为100mm，相对孔径为1/5，所
以入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）的孔径值（Aperture Value）为100×1/5=20mm。
第二步：输入系统参数——视场
System→Fields...
2为10o，所以ω=5o，0.707ω可以打开“Field Data”窗口，如图15-3所示。因为全视场ω
=3.535o, 0.5ω=2.5o, 0.3ω=1.5o。
图15-3 Fields窗口
第三步：输入系统参数——波长范围
点击按钮，或执行命令“System→Wavelengths”，或同时按下快捷键，可以打开“Wavelength Data”窗口，如图15-4所示。我们可以直接输入波长的数值，也可以
选用“F,d,C[Visible]”，点击按钮即可选中，再点击按钮确定。主波长（Primary）选中0.58756180μm。注意：可以在“X-Feild”列输入视场数据，也可以在“Y-Feild”列输入视场数据，但是最大视场值为半视场ω而不是全视场2ω。
图15-4 Wavelengths 窗口
第四步：输入“透镜数据编辑（Lens Data Editor）”的窗口中的数据
如图15-1，系统中有三个表面（Surface），从上到下依次是OBJ、STO和IMA。OBJ就是物面（Object Plane），STO即孔径光阑（Aperture Stop）的意思，但STO不一定就是光照
过来所遇到的第一个透镜，在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上。通常第一表面就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按下鼠标，可选择在前面插入（Insert Surface，
Insert After，或同时按下快捷键
STO就不再落在第一个透镜边框上了。如果要删除某个光学表面，
可以点击键盘中的，或执行命令“Edit→Delete Surface”。而IMA就是像平面（Image Plane）。因为设计任务要求光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面，所以我们选中STO行，并在其后面插入一行，此时OBJ为第0个面，STO为第1个面，IMA为第3个面，光学表面类型（Surf：Type）为“Standard”，即标准球面。在曲面半径（Radius）列从上到下依次输入“Infinity”、“100”、“-100（这里的正负号遵从应用光学中的符号规则）”和“Infinity”，单位为mm，其中Infinity为无限大的意思，表示该曲面半径为无限大，即该表面为平面。在厚度、间距（Thickness）列依次输入“Infinity（这是因为物距为无限远）”、“5”和“100（因为设计任务要求系统的焦距为100mm，透镜很薄，故初始结构设定最后一光学表面与像面的距离为100mm）”，单位为mm。在玻璃（Glass）列和STO行的交叉单元格中输入“K5”。“半口径（Semi-Diameter）”列会由自动计算出来，如图15-5所示。
图15-5 单透镜的Lens Data Editor窗口
现在系统参量的数据已经基本输入完毕，接下来我们来检验设计是否达到要求。
第五步：查看外形轮廓图
Analysis→Layout→2D Layout”，或同时按下快捷键
Layout”图形窗口，如图15-6所示。
图15-6 单透镜的二维轮廓图（Layout）
从图15-6中可以看出实际光线的焦平面并不与IMA相重合，而且不同视场的焦平面也并不相互重合，所以我们要进行优化以达到像质优良。
第六步：打开“Ray”图形窗口查看像差情况
Analysis→Fans→Ray Aberration”，或同时按下快捷
Ray Fan”图形窗口。在该图形窗口中可以看到五组（十个）图形，这是因为我们一开始设置了五个视场值，而每个视场又包含了子午曲线和弧矢曲线，所以共有五组（十个）图形。在该图形窗口中，“MAXIMUM SCALE：±2000.000 MICRONS”表示图形的最大比例尺为±2000.000 微米，如图15-7所示。很显然，这个数值是不合理的，说明初始结构的像差太大了。
图15-7 Ray Fan图
第七步：打开“FFT MTF”图形窗口，查看像差情况
Analysis→MTF→FFT MTF”，或同时按下快捷键
FFT MTF”图形窗口，如图15-8所示。从图15-8可以看出，当横坐标的数值为10 lp/mm时，即空间频率为10 lp/mm时的FFT MTF值不足0.1，而且在6 lp/mm附近的FFT MTF值几乎为零。图中系统提示“ERROR”，这说明单透镜的FFT MTF值不合理，需要优化。
第八步：设定像质评价函数（Merit Function）
图15-8 单透镜的FFT MTF
为了优化该系统，就要先设定像质评价函数（Merit Function）。执行命令“Editors→Merit
Function Merit Function Editor”编辑窗口。在“Merit Function Editor”编辑窗口中，我们执行命令“Tools→Default Merit Function”，即可打开默认评价函数（Default Merit Function）对话窗口，如图15-9所示。
图15-9 默认评价函数（Default Merit Function）对话窗口
在对话窗口（图15-9）中，我们选择“PTV + Spot Radius + Chief Ray”组合方法。同时设定玻璃（Glass）的边界条件（Thickness Boundary Values：）为“Min：2mm，Max：20mm”，表示玻璃的边缘（对凸透镜而言，它是指凸透镜边缘厚度；对凹透镜而言，它是指凹透镜的中心厚度）最小厚度为2mm，最大厚度为20mm。边缘厚度（Edge）也可以限定，日后再提。
当我们按图15-9
“EFFL（有效焦距值）”，在“EFFL”单元格的右侧显示“Wav#”、“2”，这表示波长为“第2个”设定的波长，即“0.58756180μm”，这是因为该波长被设定为“Primary（主波长）”。在“Target”单元格的下面输入“100”，这是因为设计任务要求系统的焦距为100mm。在“Weight”单元格的下面输入“1.0”。在“Value”下面的单元格中双击鼠标左键或点击“Update”即可显示出最右面两列的数据，如表15-1所示。
第九步：设定参与优化的变量
除了设定默认评价函数（Default Merit Function）外，还要设定参与优化的变量。我们
先选中“Lens Data Editor”窗口中的“Radius”列中的“100”单元格，然后按下快捷键，或点击鼠标右键后在弹出的对话框中选择“Solve Type：Variable”，那么在该单元格的右侧会出现一个字母“V”，该字母表示其前面的单元格变量是参与优化过程中的，即是可变化的。按照相同的方法，可以设定“Radius”列中的“-100”单元格和“Thickness”列中的“100”单元格为可变化的，如图15-10所示。
图15-10 设置参与优化的变量
图15-11 优化后的单透镜的透镜数据编辑（Lens Data Editor）窗口
第十步：优化系统参数
在我们设定好默认评价函数（Default Merit Function）和参与优化的变量后，点击
按钮，或者执行命令“Tools→Optimization
可打开Optimization
闭或退出对话框。
15.3 设计结果
设计结果的“透镜数据编辑器”窗口如图15-11所示。此时得到的系统二维轮廓图如图15-12所示。
图15-12 优化后的单透镜的二维轮廓图（Layout）
图15-13 优化后的单透镜的FFT MTF
此时得到的Ray Aberration图形窗口显示“MAXIMUM SCALE：±500.000 MICRONS”表示图形的最大比例尺已经缩小到初始结构的1/4，像差得到明显改善。此时得到的FFT MTF 图形窗口如图15-13所示。从图15-13中可知，空间频率为10 lp/mm处的FFT MTF值已得到
改善。我们还可以考察其它像质评价的图像窗口，如Opd 图形窗口、Spt 图形窗口等。
从这些图形窗口中可以看出，虽然经过初次优化后的系统成像质量已经得到改善，但是仍然不能满足实用要求需要进一步的优化。因为单个透镜很难做到像质优良，所以我们往往将系统复杂化，现在销售的相机镜头有的镜片数超过了十片。
15.4 设计练习
请您总结一下单透镜的设计过程和技巧，并自行完成如下设计任务。
设计一个焦距为80mm，相对孔径为1/4的单透镜系统，全视场2ω为8o，物距为无限远，在可见光下工作，选用K9玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。
提示：
“K9”是中国玻璃库的牌号，如果ZEMAX源程序中没有安装中国玻璃库文件，需要自行在网上查找中国玻璃库文件，解压该库文件后，把这些解压出来的库文件“复制→粘贴”到“C:\ZEMAX\Glasscat”路径的“Glasscat”文件夹中。
在“Len Data Editor”窗口中的“Glass”列中的相关单元格中输入“K9”后按一下
键会弹出一个窗口，该窗口会提示如下信息：
Error 971: Glass K9 could not be found in the current catalogs. However, it was found in the chineses catalog. Do you want to add this catalog to chis lens?
在上述英文提示下面会有三个按钮，分别是“是（Y）”、“否（N）”和“取消”。你只要用鼠标选中“是（Y）”按钮，并左键单击一下“是（Y）”按钮即可确保玻璃的牌号是“K9”。
第16章双胶合设计
16.1 设计任务
设计任务与第15章的相似，不同点在于系统不是单镜片而是双胶合镜片，具体如下：设计一个焦距为100mm，相对孔径为1/5的双胶合透镜系统，全视场2ω为10o，物距为无限远，在可见光下工作，玻璃的类型不限定，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。
16.2 设计过程
第一步：选择初始结构
本实例直接选用系统中提供的双胶合实例作为我们的设计初始结构。在光学设计实用手册中，或者在光学专利数据库中选择最接近设计任务的系统作为初始系统是目前光学设计工作常常采用的策略。所以，大家要多多积累光学设计实例。执行路径命令“C:\ZEMAX\Samples\Sequential\Objectives\Doublet.Zmx”，即可打开系统提供的名为“Doublet.Zmx”的双胶合设计实例，以此作为我们的初始结构，如表16-1所示。为了不与系统中的实例相冲突，我们将其另存为名为“双胶合设计.ZMX”的文件。存储路径由读者自行设置。提醒大家的是，保存文件时会同时出现后缀为“.SES”和“.ZMX”的两个文件，这两个文件是一个整体，转移文件时必须两个都转移，否则无法正常打开系统数据。
第二步：比较初始结构与设计任务的数据
我们通过列表的方法，比较初始结构与设计任务的典型数据，如工作波长范围、全视场、入瞳直径等，如表16-2所示。
第三步：提出设计思路
通过分析表16-2可以得出：
1）由于设计任务只提出工作于可见光波段，并没有提出具体的工作波段范围，因此我们已经常规处理原则，选取三个典型的特征波长F光、d光和C光，即0.48613270μm、0.58756180μm和0.65627250μm。选取d光为主波长。
2）增加初始结构的考察视场个数。因为全视场2ω=10o，所以我们选择两个比较典型的视场进行考察：0ω=0o和ω=5o。注意：在“Field”编辑窗口中输入的最大视场值为半视场值，不是全视场值；当然了，你可以再增加考察视场的个数，如0.5ω和0.707ω等。
3）入瞳直径值不用修改，仍是20 mm。
4）焦距值不用修改。但是我们发现初始系统没有设定默认评价函数，更没有在“默认
评价函数”中设定焦距（EFFL Merit Function Editor”编辑窗口，执行命令“Tools→Default Merit Function”打开“Default Merit Function”窗口，选择“RMS + Wavefront + Centroid”像质评价方法，当然你也可以选择其它类型的像质评价方法。暂且不限定玻璃的边缘厚度值。仿照第15章输入“EFFL”、“Target：100”和“Weight：1”，并利用命令“Tools→Update”更新“Value”和“%Contrib”下面单元格的数据。将“Default Merit Function”窗口最小化即可。
5）由于设计任务没有提出具体使用哪种材料，所以我们暂且选用初始结构使用的玻璃材料“BK7”和“F2”。
第四步：设定参与优化的变量
我们在“Lens Data Editor”编辑窗口中可以发现：在该窗口中有些数据的右侧有“V”、“M”或“U”字母，分别表示“参与优化过程的，即前面的参数是变量（Variable）”、“利用边缘光线角度限定的曲率半径（Marginal Ray Angle）”和“固定的（Fixed）”。由
于我们已经在默认评价函数中限定了焦距（EFFL）的值为100，所以可以利用快捷键
在“97.376047”单元格的右侧添加“V”字母，使得该处的单元格为变量，即双胶合最右侧的光学表面与像面的距离是在优化过程中是变量。
第五步：优化系统参数
Tools→Optimization”，或者同时按下快捷键
Optimization
当优化过程自动停止后关闭或退出对话框。现在通过列表法比较系统优化先后的数据变化。
第六步：分析初次优化结果，判断优化结果是否满足要求
通过比较表16-3中的数据，我们可得出结论：
1）Ray Fan窗口的最大比例尺已经显著下降，但仍不能满足实用要求；
2）OPD Fan窗口的最大比例尺没有变化，仍不能满足实用要求；
3）Spot Diagram窗口的最大视场对应的“GEO RADIUS”已经下降，但“RMS RADIUS”较大，仍不能满足实用要求；仔细观察Spot Diagram图形窗口，我们发现其彗差较大，如图16-1所示；
4）FFT MTF窗口的最小值（10 lp/mm）虽然已经由0.16528提高到了0.23713，但仍太小不能满足实用要求；
5）Enc图形窗口仍然提示“ERROR 921”错误；
6）Lateral Color的最大视场对应的值已经明显改善，这是因为正透镜产生负色差，负透镜产生正色差，正负透镜组合在一起才有可能消除初级色差，但高级色差（如二级光谱）仍然存在且很难根除。Lateral Color图形窗口显示，各色光曲线均在“AIRY”双线内，满足了
瑞利准则。
图16-1 优化后的双胶合的彗差较大
第七步：进一步优化以完善系统设计
鉴于初次优化后的系统仍不能满足实用要求，所以我们需要进一步进行优化。进一步优化系统的思路如下：
1）增加参与优化的变量，如将“Thickness ”列中原来为“Fixed ”的单元格利用快捷键V ”字母。
2）将“Semi-Diameter ”列中右侧有“U
为自动求解状态（Automatic ）。虽然这样做不能改善成像质量，但是可以缩小透镜的径向尺寸，进而节约玻璃材料的用量和系统加工制造成本。
3）在曲率半径（Radius ）、厚度间隔（Thickness ）都参与优化时仍不能满足设计任务时，可以考虑更换玻璃材料，如下面的设计结果中使用了“SSK2”和“SF1”两种材料。 16.3 设计结果
SURFACE DATA SUMMARY:
◆Ray Fan 图形窗口中的“MAXIMUM SCALE”为±50.00 MICRONS。
◆OPD Fan 图形窗口中的“MAXIMUM SCALE”为±2.000 WAVES。
◆Spot Diagram 图形窗口中的“Listing of Spot Diagram Data”如下：
◆当然了，彗差仍然显著但数值已经大大降低。
◆FFT MTF的最小值（10 lp/mm）已经由“0.23713”提高到了“0.78337”已经能满
足实用要求。
◆Field Curv/Dist图形窗口如图16-2所示。
图16-2 多次优化后的双胶合的Field Curv/Dist图形窗口
◆Grid Distortion图形窗口如图16-3所示。由该窗口可知系统存在桶形（也称：鼓形）
畸变。
图16-3 多次优化后的双胶合的Grid Distortion图形窗口
Longitudinal Aberration图形窗口如图16-4所示。而Lateral Color图形窗口如图16-5所示。
图16-4 多次优化后的双胶合的Longitudinal Aberration图形窗口
图16-5 多次优化后的双胶合的Lateral Color图形窗口
当然了，经过多次优化后的双胶合系统的成像质量还存在着不少美中不足之处，还需要进一步的完善。
16.4 设计练习
请您总结一下双胶合系统的设计过程和技巧，并自行完成如下设计任务。
设计一个焦距为80mm，相对孔径为1/4的双胶合透镜系统，全视场2ω为10o，物距为无限远，在450nm~700nm工作，玻璃的类型由软件自行确定，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。
提示：
“玻璃的类型由软件自行确定”的含义是这样理解的：
请找到“Lens Data Editor”窗口中“Glass”列相关的单元格，即初始系统中填写了玻璃牌号的两个单元格，然后分别让这两个单元格的右侧出现“V”字符（办法：选中单元格，
组数字，第一组数字是折射率（Index Nd），第二组数字是阿贝数（Abbe Vd），你双击该单元格即可看到这些信息。点击“Opt”按钮让系统自行优化，在优化到一定程度后，重新
选中这两个单元格，并分别按下，又可以看到这两个单元格中出现了玻璃的牌号，这两个新出现的玻璃牌号是软件系统自行寻找到的最接近“折射率，阿贝数”的牌号，因为是“最为接近”并非完全一致，因此需要再点击“Opt”按钮让系统自行优化，优化以后的系统才是真的与牌号对应的成像质量较好的系统。
目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)
摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直
Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation
黑龙江科技大学课程设计报告 项目名称：望远物镜设计（双胶合镜结构） 所属课程：工程光学 设计日期： 班级测控11--1班 学号 姓名 指导教师 成绩 电气与控制工程学院
课程设计报告说明 一、写报告前，请认真阅读《课程设计报告说明》。 二、打印装订要求 1、一律用A4纸，双面打印，并左侧装订，一式1份，并同时上交电子版（电子版上传邮箱123244441@https://www.doczj.com/doc/ac13009295.html,）。《课程设计报告说明》页也打印。 2、课程设计概述部分占一页；课程设计内容长度根据实际需要填写；结论和指导教师评语及成绩单独占一页。保证打印格式工整。 三、报告内容要求 1、课程设计目的结合实际自己写，不要雷同 2、课程设计要求按下发的设计题目写 3、课程设计原理简要说明所完成课程设计项目所涉及的理论 知识 4、课程设计内容这是课程设计报告极其重要的内容。概括 整个课程设计过程。（最好在上述内容基础上画出相应的流图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。）
先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径,镜头单位，视场，和波长。 （1）修改系统设定。 首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4 。 由公式，得物方孔径EPD约等于25。 在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择25，单位毫米。 （2）视场设定。 在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0, 0), (0, 3)和 (0, 5)。
2019 中考物理真题分类汇编透镜及其应用 作图题 凸透镜、凹透镜的 三条特殊 光线 等（共 40 题，有答案） 1．（ 2019? 滨州）根据图中的入射光线或折射光线，画出相应的折射光线或入射光线。 2019? 朝阳）一个凸透镜的主光轴与水面恰好重合， 线作出进入凸透镜的入射光线和从水面出来的折射光线。 S 在平面镜中所成 5． F 为凸透镜的焦点。根据给出的光 ，请在图中画出点光源 的像及光线 SA 的折射光线。 4．（ 2019? 西宁）如图所示，作出光线通过凸透镜和凹透镜的完整光路。
6．（2019? 抚顺）如图所示，有一点光源S 发出的一条光线经平面镜反射后，反射光线经过凸透镜上方的焦点。请画出： （1）入射光线。 （2）反射光线。 （3 ）经凸透镜折射后的折射光线。 7．（2019? 铁岭）如图所示，SA为水面上方的点光源S 射向水面的一条光线，该光线射到水面的反射光线的方向刚好指向水面上方凹透镜右侧的焦点。请画出： （1）光线SA 射入水中的折射光线。 （2）经过凹透镜的折射光线。 8．（2019? 本溪）如图甲所示，手持凸透镜观察湖面上的鸟巢S，可以看到鸟巢倒立、缩小的像S1，通过平静的水面又能看到鸟巢的倒影S2．图乙是这一过程的简易光路图， F 是凸透镜的焦点，O 是光心，光线SA与主光轴平行，请画出： （1）光线SA 通过凸透镜后的折射光线和像点S1 的位置。 （2）像点S2 的位置。 9．（2019? 鞍山）如图所示，凸透镜的主光轴与水面重合， F 是透镜的焦点，S是水中的点光源，请画出由S 发出的射向左侧焦点F 并经过凸透镜的光路图。 10．（2019? 日照）平行光经过凸透镜后会聚在主光轴上的一点，这个点叫作凸透镜的焦点； 平行光经过凹透镜后，光线发散，发散光线的反向延长线交在主光轴上的一点，这个点
光学设计辅助报告 姓名：张雨辰 学号：1011100139
光学计算机辅助设计报告 内容一：已知参数双胶合望远物镜的像质评价 1）像质评价的意义： 任何一个光学系统不管用于何处，其作用都是把目标发出的光按仪器工作原理的要求改变它们的传播方向和位置，送入仪器的接收器，从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形状、能量强弱等。因此，对光学系统成像性能的要求主要有两个方面：第一方面是光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。第一方面的内容即满足光学特性方面的要求属于应用光学的讨论范畴，第二方面的内容即满足成像质量方面的要求，则属于光学设计的研究内容。 从物理光学或波动光学的角度出发，光是波长在400~760nm的电磁波，光的传播是一个波动问题。一个理想的光学系统应能使一个点物发出的球面波通过光学系统后仍然是一个球面波，从而理想地聚交于一点。但是实际上任何一个实际光学系统都不可能理想成像。所谓像差就是光学系统所成的实际像与理想像之间的差异。由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在一个光学系统成像质量优劣的评价问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。从物理光学出发，推导出几何像差等像质评价指标。有了像质评价的方法和指标，设计人员在设计阶段，即在制造出实际的光学系统之前就能预先确定其成像质量的优劣，光学设计的任务就是根据对光学系统的光学特性和成像质量两方面的要求来确定系统的结构参数。 2）像质评价的方法与Zemax实现： 对于像质评价有两个阶段：1 设计完成后，加工前，对成像情况进行模拟仿真；2 加工装配后，批量生产前，要严格检测实际成像效果。当前我们所作的工作就是对第一阶段进行实际讨论。对于像质评价的方法有两种：1 不考虑衍射：光路追迹法（点列图，像差曲线）； 2 考虑衍射：绘制成像波面，光学传递函数等；有： 瑞利判断：几何像差曲线进行图形积分得到波像差； 中心点亮度（斯托列尔准则）：成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比S.D来表示成像质量； 分辨率：反映光学系统分辨物体细节的能力，可以评价成像质量； 点列图：由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同
目录 摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致 (14) 参考文献 (15)
摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直
令狐文艳 双胶合设计 令狐文艳 设计一： 透镜参数： 1.焦距为100mm。 2.相对孔径为1/5。 3.全视场2ω为10度。 4.物距为无穷远。 5.双胶合透镜一个采用BK7玻璃，另一个采用F2玻璃。 1.Prescription Date 具体参数： 1.Lens Data Editor 2.系统二维图 3.系统三维图 4.点列图 从图中我们可以看到，系统的弥散斑并不太大，弥散斑随着视场的增加而增加。当ω=5度时，系统的弥散斑半径为60.847，保持在可接受的范围内。 将Show Airy Disk选中，并选择ω=2.5度时作为观察对象，可以得到上面的图形。虽然大部分光线并不集中在中心区域，但是这种效果对于双胶合设计来说也足够了。
5.MTF曲线 TS 5.0000 degree这条曲线在10(lp/mm)时大致为0.35，满足设计需求。其他的曲线也较接近最上面的黑线（衍射极限），且较为平滑。S曲线（弧矢曲线）与T曲线（子午曲线）也比较重合。 6.Ray Fan（光线扇面） 7.OPD Fan(光程差扇形图) 8.Field Curv/Dist（场曲） 设计二： 设计二的MTF曲线更高，但弥散斑也比设计一高，当ω=5度时，弥散斑半径为69.830。 透镜参数： 6.焦距为100mm。 7.相对孔径为1/5。 8.全视场2ω为10度。 9.物距为无穷远。 10.双胶合透镜一个采用BK7玻璃，另一个采用F2玻璃。 2.Prescription Date 具体参数： 3.Lens Data Editor 4.系统二维图 5.系统三维图 6.点列图
在上图中，当ω=5度时，弥散斑半径为69.830，比设计一中的要高。 7.MTF曲线 TS 5.0000 degree这条曲线在10(lp/mm)时大致为0.4，比设计一的效果要好。 8.Ray Fan（光线扇面） 9.OPD Fan(光程差扇形图) 10.Field Curv/Dist（场曲）
目录摘要Abstract............................................................ I 绪论. 0 1 自聚焦透镜简介 (1) 1.1自聚焦透镜 (1) 1.2 自聚焦透镜的特点 (1) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (2) 2 自聚焦透镜的应用 (3) 2.1 聚焦和准直 (3) 2.2 光耦合 (4) 2.3 单透镜成像 (5) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (5) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (7) 3.1 确定透镜模型 (7) 3.2 设置波长 (7) 3.3数值孔径设定 (8) 3.4 自聚焦透镜光路 (8) 4 优化参数 (9) 4.1光线相差分析 (9) 4.2聚焦光斑分析 (11) 4.3 3D模型 (11) 结束语 (12) 致谢 (13)
参考文献 (14)
摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直
Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation
XX大学 课程设计说明书 201X/201X 学年第 1 学期 } 学院：信息与通信工程学院 专业： XXXXXXXX 学生姓名： XXXXX 学号： XXXXX 课程设计题目：双胶合望远镜头设计 起迄日期：20XX年12月22日~20XX年01月02日 课程设计地点： XX大学5院楼513、606 指导教师： XXXX 职称: 教授 |
目录 摘要 (1) | 关键词 (1) 第一章课题要求 课题背景 (2) 设计目的 (2) 设计内容和要求 (2) 第二章方案分析 课题名称 (3) 主要数据 (3) 。 设计思路 (3) 实现原理 (3) 主要过程 (4) 第三章光学系统设计 光圈参数设定 (5) 视场参数设定 (5) 波长设定 (6) 玻璃厚度的设定 (6) … 像空间的设定 (7) 第四章光学系统分析 2D光路分布草图 (7) 标准点列图Spot Diagram (8) 光路图OPD FAN (9) 光线相差图RAY FAN (10) 波前分布图 (11) 第五章光学系统优化 > 光学系统调焦 (12) 设置可变参数 (13) 优化函数设定 (13) 最终优化 (14) 第六章系统优化前后比较 优化后的2D草图 (15) 优化后的标准点列 (15) 优化后光路图 (16)
$ 第七章心得体会 心得体会 (17) 摘要 ZEMAX是一款多功能的光学设计软件，可建立反射、折射、绕射等光学模型，可以用来模拟、分析和辅助设计光学系统，并对光学系统进行优化。双胶合透镜不仅有较好的横向分辨率，而且有较高的轴向分辨率，能够作为共焦3-D成像的一种理想光学元件，在光学领域得到了广泛的应用。本次课程设计，我们将利用ZEMAX软件设计一个双胶合望远镜头，展示利用ZEMAX设计、分析和优化一个简单光学系统的过程，进一步掌握该软件。 关键词:ZEMAX 双胶合望远镜头光学系统设计分析 ;
凸透镜、凹透镜三条特殊光线作图 【凸透镜】 1.平行凸透镜主光轴的光线，经凸透镜折射后，折射光线过焦点。 2.焦点上的物体发出的光，经凸透镜折射后，折射光线平行于主光轴。 3.过凸透镜光心的光线，经凸透镜折射后，折射光线的传播方向不变。【凹透镜】 1.平行于凹透镜主光轴的光线，经凹透镜折射后，折射光线发散，发散光线的反向延长线过焦点。 2.入射光的延长线过凹透镜焦点，经凹透镜折射后，折射光线平行于主光轴。 3.过凹透镜光心的光线，经凹透镜折射后，折射光线的传播方向不变。 F F O O F F O F F O F F F F O F F O 1
2 【练习】 1.画出下列凸透镜中的折射光线或入射光线. 2.画出下列凹透镜中的折射光线或入射光线 3.中间 ，两端 的透镜是凸透镜； 中间 ，两端 的透镜是凹透镜。 4.凸透镜对光线的作用是： 光线 凹透镜对光线的作用是： 光线(填“会聚”或“发散”) 【补充知识】 凸透镜中间越厚，对光线的偏折能力越强，透镜，焦距越小。（完成课本93页第1题） 拓展应用： 请用学过的凸透镜三条特殊光线作图的方法，画出下列图中物体AB 经过凸透镜折射后所成的像A ˊB ˊ。画完后，观察所成的像A ˊB ˊ的大小、正倒以及虚实情况，同时对比分析成像的特点与物距之间的关系是怎样的。 【几个名词】 F ：凸透镜中主光轴上的焦点的位置； 2F ：凸透镜中主光轴上的二倍焦距的位置； f ：焦距(焦点到凸透镜的距离)； 物距u ：表示物体与凸透镜之间的距离； 像距v ：表明像与凸透镜之间的距离； F F F F O F F O F F F F 2F 2F F F 2F 2F F F 2F 2F （1） （2） （3） A B A B A B (1)物体AB 的位置是： 物距u>2f 像的特点： 像距V 与f 的关系 (2)物体AB 的位置是： 物距f< u<2f 像的特点： 像距V 与f 的关系 (3)物体AB 的位置是： 物距u 实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作 一．实验目的 学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。二．实验要求 a)掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。 b)掌握ZEMAX软件的用户界面。 c)掌握ZEMAX软件的基本使用方法。 d)学会使用ZEMAX的帮助系统。 e)学会使用ZEMAX初步仿真光路图。 三．实验内容 （一）界面及基本操作 1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示： 图1.1ZEMAX用户界面 2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。 3. 熟悉使用各个常用的快捷按钮。 4．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口（镜头数据编辑、优化函数、多重数据结构）。 5．调用ZEMAX 自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx 文件），学会打开常用的分析功能项：草图（2D 草图、3D 草图、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。 6．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。 7．掌握镜头数据编辑（LDE ）窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。 8．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。 9．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。 （二） 仿真光路图 根据已拟好的设计草图，在ZEMAX 中实现光路仿真，包括光路系统整体设置、创建光学元件、透镜（组），元件间大致间距等。 1.光路系统的整体设置，包括此光学系统所适用的波长、入瞳直径、视场等，在主菜单-系统里有相应的各个设置。 2.创建光学元件、透镜（组），就是将设计草图中的各种光学元件用ZEMAX 的方式去仿真实现。ZEMAX 仿真的基本元素是面和面间距，仿真创建各种元件基本都以具体设置每个面和面间距的参数来实现。 （1）面：面的基本参数包括面型（Surf:type ）、曲率半径(Radius)、厚度(Thickness)、材料（玻璃）(Glass)，半口径(Semi-Diameter)等，每一个面对应于LDE 窗口里的一个行，每一个参数对应LDE 窗口里的一列，如下图： ZEMAX 的默认面型是透明标准（Standard ）球面，曲率半径和半口径为无穷（Infinity ）。面的厚度和材料的定义都是以指定面起向后算到下一个面之间的这一段的厚度和材料。 （2）面间距：指的是该面在光轴上的交点到下一个面在光轴上的交点之间的距离，向右为正，向左为负。常用于标识透镜厚度、元件与元件的间距等。 例如：一个透镜的厚度，可以用透镜的前表面的面厚度值Thickness 来完成仿真；前一个元件与后一个元件的间距，可以用前一个元件的后表面到后一个元件的前表面之间的面间距来完成仿真。 3.根据设计要求和设计草图，估算各个元件之间的大致间距，通过面间距的设置，实现整个光学系统的初步仿真。 4.仿真一个轴上点光源（m μλ587.0=）在物距为u=30mm 时，由焦距为20mm ，材料为BK7，口径为10mm 的单正透镜成像的光路。 四．报告要求： 1. 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom 2.zmx 文件，生成其2D 图、渲染（转角）、像差特征曲线、OPD 曲线、曲面数据报告（第7面）和图解报告4。截屏后打印出来。 2. 试在打印出来的2D 图上标出各个面的位置以及相应面厚度值的具体指向（方向、 光学镜头设计 自 聚 焦 透 镜 姓名：董杏杰 学号：120514130 专业：12级光伏 2015年6月22日 光学系统的设计要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求，这些要求概况起来有以下几个方面： 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；视场角或线视角；系统的放大率或焦距。此外还有这些基本特性相关的一些参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 外形尺寸也就是系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上可实现的可能性。如生物显微镜的放大率m要满足500NA≤m≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统的设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为四个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在各个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段成为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计 H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 实验报告 课程名称：光机系统设计 实验名称：双胶合消色差物镜设计院系：电气及自动化与控制系班级： 姓名： 学号： 哈尔滨工业大学 1， 实验目的 设计一个双胶合消色差透镜，并绘制图形，熟悉应用光学、机械学等相关知识，掌握光机系统设计的流程。 2. 结构特性分析 双胶合消色差物镜光学性能要求: 1) f / 6，焦距540mm ； 2) 视场角1.5°； 3) 镜片材料选择BAK1 和BK7； 4) 20 线对/mm 处MTF>0.4； 5) 工作波长：可见光 3. 初始结构设计 当物体处于无穷远时，P ∞=W ∞=0（孔径角消失），设计消色差系数C=0。 透镜的光焦度分配公式： )v 1 -v 1/(1-2 121）（v c =ψ 12-1ψ=ψ 通过应用光学相关知识，算的双胶合透镜的曲率半径依次为： R 1 =345.231 R 2 =-240.89 R 3 =-1003.25 两个透镜的初始厚度设计各为7mm ，透镜组到成像面的距离设计为近轴光线，由ZEMAX 计算出相应厚度调整值。 图1 双胶合透镜出结构设计 图 2 所示，视场90mm；如图 3 所示，视场角设定为1.5°，图 4 所示，入射光线为可见光；如所示为初始透镜结构图。 图2 设定视场 图3 设置光场 图4 设定入射光 4. 系统优化 设计焦距值为540mm,设定默认优化函数EFFL target 为540，权重为1，选择透镜的三个曲率半径以及相应的厚度作为优化参数，优化结果如图 5所示。 图5 优化结果参数 5. 像质分析 由图6所示，优化后最大的波像差大约为4个波长，尚未达到衍射极限，应为焦平面上的彗差影响所致；同时可见这个透镜相对与可见光的低阶色差比较小，满足设计要求。 图8优化后光线追迹曲线 如图 6所示，优化后存在彗差，由图中度数可得艾里斑半径为8.595μm， 2.要求设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下： 设计过程： 1.求h ，h z ，J 1006 .14365.7148.01'''4365.7)tan(''0621.335/5tan 58.12'/'tan 148.0502/tan 8.147.34'/tan '/'tan =??===--==?==?===?==?=Γ=?=Γ==y u n J mm w f y mm h h mm h f h u D u mm D D D D u f h u z z o 入入出入 计算平行玻璃板的像差和数S 1、S 2、S 3 平行板入射光束的有关参数为： 5912.0, 0875.0)5tan(,148.0-=-=-==u u u u z z ο 根据已知条件，平行玻璃板本身参数为： 64.11.5163,n 31mm,d ===υ 则平行平板的初级像差为： 3.列出初级像差方程式求解双胶合物镜的C W P ,,∞∞ 根据整个系统物镜的像差要求： mm L SC mm L FC m m 05.0,001.0,1.0'' '=?-==δ 系统的像差和数为： 0010952 .000220.0)(2200438 .02S '2'''3''''''''2''''1-=?-==-=-=-=-=FC m s m L u n S y SC u n k u n S L u n δ 由于S 系统=S 物镜+S 棱镜，双胶合物镜的像差和数为： 0.0012848 0.00238-0.001095S -0.001075 0.003275-0.0022S 0.001160.00554-0.00438S =+====+=I ∏I C 列出初级像差方程，求P,W,C 00238.0n 1-n -d S 0.0032765/u)(u S S 00554 .0n 1 -S 2 2 3z 124321-====-=?-=u du n υ 实验一、光学CAD实验 1、利用光学软件作CAD的初步训练 一、 实验目的 通过对OSLO软件的了解和使用，了解OSLO软件的基本功能并初步掌握模拟、分析和设计光学系统的基本方法，为较专门、高级的光学CAD实验打下基础。 二、 实验内容 1、熟悉OSLO光学软件。 2、建立光学系统的数据。 3、计算光学系统的像差，分析光学系统的性能[3-5]。 4、研究单透镜的光学和结构参数与像差的关系[3-5]。 5、对简单透镜做优化设计。 三、 实验方法与步骤 1 光学系统数据的输入 图1 1 帮助 9 成像分析 17 点扩散函数分析 2 表面数据表格 10 用缺省光线画平面透镜 3 总的操作条件表格 11 画立体透镜 4 高斯束表格 12 光线像差分析 5 表面容差数据表格 13 波前像差分析 6 表面数据 14 MTF分析 7 傍轴常数 15 MTF通过焦点分析 8 光线轨迹分析 16 点列图 首先运行《OSLO LT》进入它的主窗口，打开“File”，选“New”，则出现一个子窗口，如图2所示。选“Custom lens”，并填写表面数，然后“√”，便出现“重建透镜数据表格”。当发现表面数目不够或多余时，可用鼠标点按表面序号，以便编辑插入新表面或删除多余表面。字母串“OBJ”，“AST”，“IMS”分别表示物、光阑和像表面。利用此方法可在物面和像面之间建立你要研究的光学系统所需要的表面数目。但应注意，该软件所容许的系统最多不能超过10个表面。比如，要研究一个单透镜，它具有两个表面，所以在物像表面之间至少应包含两个表面。 图2 建起光学系统数据表格（如图3反示出物面和镜面）之后，即可按你所准备好的数据按位置填好。其中包括曲率半径（Radius）、厚度（Thickness）、界面之间的介质参数（Glass）、入射光束半孔径、视场和工作波长（以μ为单位）。对于某些特殊表面（比如非球面、衍射光栅面、全息图表面等）还应在special一列填写相应的参量数据。 图3 需要说明的是，物面到系统第一面的距离（即物面一行中的厚度）为物距l的绝对值，即d0=?l?，当其为无穷时（用数值1.0000e+20表示），入射光束孔径用“Entrance beam radius”表示，以mm为单位，而视场用半Field angle表示，以度为单位。当d0≠∞时，则入射光束孔径习惯用物空间数值孔径表示，而视场用物高（单位mm）表示。玻璃的填写可通过选项，比如从玻璃库中选玻璃牌号，或者用模拟光学玻璃数值（n，ν）。对于反射面，直接选reflect。 系统最后一面到像面之间的距离称为像距，有时它可表示系统的工作距离，该数据也必须正确填写，方法有二：一是在此厚度后面的方块处单击，然后在出现的托拉菜单中选“Solves”，“Axial ray height＝0”；二是在主屏上选“display the paraxial constant”（见图1中由数字7标注的图标），从计算的数据中选取“Gaussian image distance”的值填入。在透镜数据子屏上，点按“Draw”后边的“on”，即出现目前系统的结构图。如图4所示为一双胶合透镜。 如果在开始的“File”，“New”之后，选“Catalog lens”，“ok”，则出现“Update surface data”和透镜库的两个子窗口。在透镜库子屏上（见图5），通过选取不同透镜种类“singlets”， 凸透镜的光路图中有三条特殊光线，它们的传播方向是特定的，掌握这三条光线的具体传播情况，不但对凸透镜的光路图的画法有帮助，同时对凸透镜成像规律的作图法得出有重要作用。 凸透镜三条特殊光线：（1）过光心的光线，其传播方向不改变；（2）平行主光轴的光线过焦点；（3）过焦点射向凸透镜的光线折射后将平行主光轴传播。三条光线的传播方向如图1所示。 具体应用： 1、凸透镜对光线作用的光路图 关于体现凸透镜对光线的作用的光路图有两个：一是平行主光轴的一束光经凸透镜的传播；二是放在焦点的点光源射向凸透镜的光线经凸透镜折射后的传播。如图2所示。如何准确画出光路图，可以通过记住凸透镜对光线的会聚作用的基础上，记住这两种具体的传播情况。但这需要记忆的量较大，并且这种机械记忆容易遗忘。而如果记住三条特殊光线的传播则很容易画出光路图，并且实际上我们只需记两条光线即可，因为其中的（2）、（3）已知一条即可根据光路可逆知道另一条。 2、也许认为这很简单，何必如此麻烦？ 在凸透镜的特殊作图中就可看出其用处之大了。如图3甲所示，如何画出图中光线的传播，用一般的方法很难做出。下面我们用三条特殊光线作图：再画两条平行原光线的光线，一条过光心，一条过焦点；画出这两条光线的折射光线，交于A点；则原光线定过A点，可画出待求光线。如图3乙所示 3、运用作图法得出凸透镜成像规律 课本上凸透镜成像规律是通过实验的方法得出的，实际上也可以通过作图的方法得出。特别在我们急需这些知识，但就是想不起来时，我们就可用作图法简单的几笔就得出，这不失为一种用处很大的方法。而这种方法的前提是需要知道三条特殊光线的传播。具体做法：在凸透镜的主光轴上两侧分别标出焦点和二倍焦距处，按物距要求在主光轴上画出物体（用带箭头的线段表示），从物体的箭头出发出两条光线射向凸透镜，这两条光线必须是三条特殊光线中的两条，如果在另一侧相交于一点，则这一点就为箭头的实像点，垂直主光轴画出整个像，从图中很容易看出像的性质。如果在另一侧光线是发散的，则其反向延长线相交的点为箭头的虚像点。图4为当物距大于焦距而小于二倍焦距时成像的光路图。从图中我们很容易看出：当物距大于焦距而小于二倍焦距时，成倒立、放大的实像，像距大于二倍焦距。 特别在研究当物距等于二倍焦距时，由于实验器材的缘故，我们几乎不能得出其成像规律，只有借助作图法才可得到。如图5所示。从图中可准确得出用此方法才能得到的规律：物像等大，像距恰为二倍焦距。其像的大小既可通过用刻度尺测量得出，也可通过几何证明两三角形全等得到。 1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大 在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'D f 物）和目镜（''D f 目）的相对孔径是相等的。目镜的相对孔径 主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为 4mm 左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目 一般不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为 ''41256 D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。 1.2 视场较小 望远镜的视放大率为' tan tan w w Γ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70?以下，这就限制了物镜的视场不能太大。如一个8?的望远镜，可得物镜视场2w 为10?。通常望远物镜的视场不大于10?。 像差特性： 由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差' m L δ，轴向色差' FC L ?和边缘孔径 的正弦差'm SC 。而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ?。 由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正， 也需要物镜的像差给予补偿。所以物镜的' m L δ，' FC L ?，'m SC 常常不是校正到零， 而是要求它等于指定的数值。 望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。 2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下： 视放大率：3.7?；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：210 w=?；物镜焦距：'=85 f mm 物 ；棱镜折射率：n=1.5163(K9)；棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。 为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差 为： ' m δL=0.1mm，'0.001 m SC=-，'0.05 FC L mm ?= 要求：（1（3）利用解答： 1、光纤传输条件 全反射条件 为了使光波在传输过程中光能量损耗尽可能小，需使光束在光纤内部传输时发生的内反射满足全反射条件。 谐振条件（相位条件） 考虑两列向前（光束分波前）传播的相干光在某一时刻的相位差及叠加情况，它们产生沿垂直于光纤光轴分布的相位差。这两列波产生谐振，或者相互减弱，这就是并非所有满足全反射条件的光波都能在光纤内部形成稳定的传输。 能够在光纤内稳定传输的光波，除了要满足全反射条件外，还要满足谐振条件－相长干涉条件，光波的入射角应满足： πδδθm nk i 2cos 2210=++ 才能在光纤内部形成稳定传输。对于给定光纤，能够在内部稳定传输的光波 之入射角i θ仅仅取一些分立值。 每个i θ值对应一个m 值，称为光纤内光场分布的一种模。 2、光纤的色散 光纤色散是决定光纤传输带宽的重要参数，限制传输容量、决定最大中继距离。光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于各波长的群速度不同而引起光脉冲展宽的现象，即传输延时。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。色散对数字信号通信的影响：目前光纤通信都采用脉冲编码形式，由于不同波长光波在介质中传播速度不一致，从而使得不同波长光波到达光纤终端时产生延时差。由于各个波长成分到达的时间先后不一致，因而使叠加后的脉冲加长了，这叫脉冲展宽。传输距离越远脉冲展宽现象越严重，比特率越低。光纤不是用来传输单个脉冲的，而是用来传输一个脉冲序列，要把宽度几乎为零的脉冲序列传输到接收端，要在接收端把这个脉冲序列区分开来，则脉冲序列的重复频率—即为比特率。 光纤色散可以分为三类：材料色散、波导色散、模间色散，光纤色散（延时差）是这几类色散（延时差）之和。 目录 一、前言 (7) 二、ZEMAX 仿真 (9) 三、设计优化 (17) 四、数据比较和优化后参数 (21) 五、设计心得体会 (24) 六、参考文献 (25) 评分表附表 (26) 一前言 光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。 我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。 几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。 物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。 波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。 量子光学1900 年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。所以光学是一个相当有用的学科。 本次设计采用ZEMAX 光学设计软件。ZEMAX 是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序。ZEMAX 的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。大部分ZEMAX 的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。 二ZEMAX 仿真 一、本次设计要求如下：光学设计实验指导书2012
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哈工大 光机系统设计 双胶合透镜 实验报告
双胶合望远物镜 ZEMAX 设计
CAD 实验讲义 南开大学光学实验
凸透镜的光路图中有三条特殊光线
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光纤与激光基础知识_肖
双胶合望远物镜设计(精)
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