光学设计双胶合透镜实验报告

湖北第二师范学院《光学系统设计》题目：望远镜的设计姓名：刘琦学号:1050730017班级：10应用物理学目录望远系统设计............................................................................................... 第一部分：外形尺寸计算 .......................................................................... 第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计） ....................... 第三部分：目镜的设计 .............................................................................. 第四部分：像质评价 .................................................................................. 第五部分心得体会 ..................................................................................望远镜设计第一部分：外形尺寸计算一、各类尺寸计算 1、计算'f o 和'f e由技术要求有：1'4o Df =，又30D mm =，所以'120o f mm =。

又放大率Γ＝6倍，所以''206o e f f mm ==。

2、计算D 出303056D D D mm =∴===Γ物出物 3、计算D 视场2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==⨯⨯=视场4、计算'ω（目镜视场）''45o tg tg ωωωΓ⨯=⇒≈5、计算棱镜通光口径D 棱（将棱镜展开为平行平板，理论略）该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：如何考虑渐晕？我们还是采取50%渐晕，但是拦掉哪一部分光呢？拦掉下半部分光对成像质量没有改善（对称结构，只能使光能减少），所以我们选择上下边缘各拦掉25%的光，保留中间的50%。

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/(1-2121）（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 =-240.89R 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，而像差RMS半径为18.570μm，可见此优化结果基本达到设计要求，可以使用。

ZEMAX 光学设计报告一、设计目的通过对设计一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的根本应用和操作。

二、设计要求设计一个全视场角为1.56°，焦距为1000mm ，且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜，要求相高为y`=13.6mm 。

三、设计过程1.双胶合望远物镜系统初始构造的选定1.1选型由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位置色差。

又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。

本系统采用紧贴型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。

1.2确定根本像差参量根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差0'0=L δ；正弦差0'0s =K ；位置色差0'0=FC l δ。

那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得根本像差参量为0===I ∞∞C W P 。

1.3求0P)(()⎪⎩⎪⎨⎧+-+-=∞∞∞∞火石玻璃在前时冕牌玻璃在前时2202.085.01.085.0W P W P P因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进展计算,即0085.00-=P 。

1.4选定玻璃组合鉴于9K 玻璃的性价比较好，所以选择9K 作为其中一块玻璃。

查表发现当000.0=I C ,与0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合，此时对应的038.00=P 。

此系统选定9K 与2ZF 组合。

9K 的折射率5163.11=n ，2ZF 的折射率6725.12=n ，038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=ϕ，44.2=A ,72.1=K 。

1.5求形状系数Q一般情况下，先利用下式求解出两个Q 的值：AP P Q Q 00-±=∞再与利用下式求的Q 值相比较，取其最相近的一个值：)(1200+-+=∞A P W Q Q 因为 0P P ≈∞，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞W W 。

哈工大光机系统设计双胶合透镜实验报告哈工大光机系统设计双胶合透镜实验报告哈尔滨工业大学实验报告Harbin Institute of Technology 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：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：R1 =345.231 R2 =-240.89 R3 =-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，而像差RMS半径为18.570μm，可见此优化结果基本达到设计要求，可以使用。

《光学设计》PW 法求初始结构参数（双胶合物镜设计）姓名：李军 学号：12085212光学特性：已知焦距mm f 435=；通光孔径mm D 67= ； 入曈位置与物镜重合 0=z I展成玻璃板的总厚度mm d 175=。

（1）确定物镜形式：由于物镜相对孔径较小：1540.043567,==fD视场不大，物镜系统没有特殊要求，可以采用简单的双胶合物镜。

（2）求初始结构 1、求,,z h h J由设计条件，有:5.332672===D h ，由于瞳孔与物镜重合，所以0=zh注意：由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差。

0770.04355.33,,===f h u 80.22)3tan(435tan ,.=-⨯-=⋅-=。

ωf y 756.180.220770.0,,,=⨯==y u n J2、计算玻璃的平板像差 ，两个平板：0524.0-3,0770.0=-==。

z u u ，6805.00770.00524.0-=-=u u z由已知条件：（n 为折射率，v 为阿贝常数）1.64,5163.1,175===νn d将上列数值带入初级相差公式得到：00233.00773.05163.115163.1175143232-=⨯-⨯-=--=n n d S I00158.0)6805.0(00233.0=-⨯-==uu S S zIII 00363.00770.05163.11.6415163.117512222-=⨯⨯-⨯-=--=u n n d S IS ν3、双胶合物镜像差双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。

（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）（1）根据S I,求C 并规划成C 进行规化后：c h c h S IS 22∑==，所以000003234.0=C求规划后的C ，根据公式：00141.0435000003587.0,=⨯==Cf C（2）求P 、W ： 由初级相差和数hp hp S I ∑==：得到0000695.05.3300233.0===h S P I 由公式：JW p h W J hp S Z I I -=-=∑∑,由于0=z h ， 所以00090.0756.1)00158.0(=--=-=J S WII （3）求P ∞、W ∞：已知mm f 435=，，5.33=h000457.0)(00593.0,0770.032,====ϕϕϕh h fh h ，）（根据公式可以得到：152.0000457.00000695.0)(3===ϕh P P1518.000593.000090.0)(2===ϕh W W物体平面在无限远位置，无需再对规划后的物体位置进行规划：152.0==∞P P , 1518.0==∞W W4）求0P冕牌玻璃在前：1497.0)1.0(85.020=--=∞W P P4.查表，选玻璃对。

实验二：双胶合透镜系统
一．实验目的
掌握胶合透镜的设计方法、原理、过程及透镜系统的优化处理方法；
二．透镜系统的结构性能要求
1）相对孔径为1/4（F/#为4），焦距为100mm；
2）视场角为0︒；
3）玻璃材料分别为BK7，SF1；
4）相对波长为可见光波长；
5)厚度为3mm；
三．实验步骤
一个双透镜采用两片玻璃胶合，曲率半径大小相同。

通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。

这样会产生较好的像质。

1．系统参数的设置：F/#为4；
视场角为0︒；
工作波长可见光波长；
2．结构参数的设置：第一个面焦距为100mm，厚度为3mm，玻璃材料为BK7；
STO面焦距为-100mm，厚度为3mm，玻璃材料为SF1；
如下图所示：
四．透镜优化过程
1.将曲率半径设为变量，厚度也设为变量，权重为1，创建评价函数包括EFFL 操作数，如下图所示：
2.将厚度也设为变量，glass min为2，max,6，edge为1；air min为0.2，max 为100，edge为0.2；如下图所示：
3.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization，如下图所示：
五．双胶合透镜系统分析
1.对于点列图，优化后的系统点列图的弥散斑明显减小了很多，如下图所示：
2.对于wavefront Map图，像差从65.46减小到0.3034。

所以双胶合透镜能够校正了像差，如下图所示：
3.对于多色光焦点漂移图，如下图所示现在已经减小了色差的线性项，，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示请注意多色光焦点漂移量减少为74um单透镜为1540um），如下图所示：。

双胶合物镜课程设计报告一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握双胶合物镜的基本概念，包括其组成、原理和应用。

2. 学生能够准确描述双胶合物镜的成像特点及其在光学仪器中的作用。

3. 学生能够了解双胶合物镜在现实生活中的应用案例，并能够分析其工作原理。

技能目标：1. 学生能够通过实验操作，掌握双胶合物镜的组装和调整方法。

2. 学生能够运用光学知识，对双胶合物镜的成像效果进行预测和计算。

3. 学生能够运用所学知识，分析和解决与双胶合物镜相关的实际问题。

情感态度价值观目标：1. 学生通过学习双胶合物镜，培养对光学科学的兴趣和好奇心，增强对科学探究的热情。

2. 学生能够认识到双胶合物镜在科技发展和社会进步中的重要作用，增强对科技创新的价值认同。

3. 学生在小组合作中，培养团队协作精神，提高沟通与交流能力。

本课程针对初中年级学生，结合学生好奇心强、动手能力逐渐提高的特点，注重理论与实践相结合，旨在培养学生的光学知识、实验技能和科学素养。

课程目标既关注学生对双胶合物镜知识的掌握，又注重培养学生的实践操作能力，同时强化情感态度价值观的引导，为学生奠定扎实的科学基础。

二、教学内容1. 双胶合物镜的基本原理：介绍双胶合物镜的定义、类型及其成像原理，包括凸透镜和凹透镜的组成、光线传播规律等。

2. 双胶合物镜的成像特点：分析双胶合物镜的成像规律，如实像与虚像、放大与缩小、倒立与正立等，结合实际应用案例进行讲解。

3. 双胶合物镜的实验操作：指导学生进行双胶合物镜的组装、调整和成像实验，让学生在实践中掌握光学成像的原理和方法。

4. 双胶合物镜的应用案例分析：介绍双胶合物镜在照相机、投影仪、显微镜等光学仪器中的应用，分析其工作原理和功能。

教学内容安排：第一课时：双胶合物镜的基本原理及成像规律第二课时：双胶合物镜的实验操作（一）第三课时：双胶合物镜的实验操作（二）第四课时：双胶合物镜的应用案例分析及讨论本教学内容基于课程目标，按照系统性和科学性原则进行组织，结合教材相关章节，确保学生在掌握基础知识的同时，能够通过实验和应用案例分析，提高实践操作能力和解决问题的能力。

ZEMAX实验——双胶合镜头（a doublet）摘要一个双胶合镜头是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲率。

利用不同玻璃的色散性质，一阶色差可以被矫正。

也就是说，需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图，而不是直线的，这反过来会产生较好的像质。

在保持100mm焦距和在轴上的设计要下，将会加入视场角。

同时定义边缘厚度解，使产生图层和视场曲率图，并分析双胶合镜头的出光效果。

关键词：ZEMAX光学设计；双胶合镜头；成像分析目录1 引言 (II)2 实验目的.................................. 错误！未定义书签。

3 实验原理分析 (2)4 实验步骤 (3)5 实验结果.................................. 错误！未定义书签。

1 引言ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是一套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。

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。

工程光学课程设计姓名：班级：学号：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°一 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 ’=0.5³25/100=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 ²Dm=1.732DmD m1=D0+d(2u ’p –D0/f) ≈21.4D m2=pp 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 ²(1－n 2) ²u ’4/n 3 =－0.00337,S Ⅱ=L ²(1－n 2) ²u ’3²u ’p /n 3 =－0.000943, S Ⅲ=L ²(1－n 2) ²u ’2²u ’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 ²(1－n)²u 21/vn 2≈－0.00203 C Ⅱ=d ²(1－n)²u ’p ²u ’/vn 2≈－0.000567。

其中 d=L=37.06, u 1= u ’=0.1252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 ²P ∞=0.00337 P ∞= S Ⅰ/y ≈0.00027S Ⅱ=y p ²P ∞+j ²W ∞ j=y ’²n ’²u ’p －n ’²u ’²y ’p =0.4365所以W ∞= S Ⅱ/j=0.0021583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。

双胶透镜设计1．双胶合透镜设计方案双胶镜头简介当今光学系统已经应用到了广泛的领域当中，所以对于光学镜头的设计就成了现在人们十分关注的事情。

其中双胶合镜透镜使用最广泛。

在光学设计中，像差(abeDation)指公光学系统中由透镜材料的特性或折射(或反射)外表的几何形状引起实际像与理想像的偏差。

理想像就是理想光学系统所成的像。

实际的光学系统，只有在近轴区域以很小孔径角的光束所生成的像是完善的。

但在实际应用中，需有一定大小的成像空间和光束孔径，同时还由于成像光束多是由不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。

因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，这就是像差。

像差的大小反映了光学系统成像质量的优劣。

几何像差主要有七种：其中单色光像差有五种，即球差、彗差、像散、场曲和畸变；复色光像差有轴向色差和垂轴色差两种。

单个透镜的色差是无法消除的，但把一对用不同材料做成的凸凹透镜胶合起来，可对选定的两种波长消除色差。

根据薄透镜系统的初级像差理论，在允许选择玻璃材料的条件下，一个双胶合薄透镜组除了校正色差外，还能校正两种单色像差。

另外对于单透镜来说，虽然可以选择不同曲率半径使球差到达最小，这称为配曲法，但配曲法不能完全消除球差，考虑到凸透镜和凹透镜有符号相反的球差，所以可以把两种透镜胶合起来进一步消除球差，同样对于彗差也是一样的，轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后，在理想平面上不再交于一点，而是形成状入彗星的亮斑，此称为彗差。

利用配曲法可局部消除单透镜的彗差，也可以另用胶合透镜消除彗差，但因为消球差和消彗差所要求的条件往往不一致，所以这两种像差不易同时消除。

双胶合物镜：〔简称双胶物镜〕双胶物镜由一正透镜和一负透镜胶合而成〔正负透镜用不同种类的光学玻璃〕，正负透镜胶合面两个球面半径相等。

这种物镜的优点是：构造简单，光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差、彗差、色差，但不能消除像散、场曲与畸变，但双胶物镜口径一般不超过Φ100mm，因为当口径过大时，由温度变化胶合加会产生应力，使成像质量变坏甚至脱胶。

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ZEMAX光学设计软件应用训练实验报告
选择“analysis”，“miscellaneous”，“field curv/dist”场曲线如图所示。

牛顿式反射望远镜结构示意图
．输入数据：第一面，光阑面的曲率半径列输入-2000.0，负号表示为凹面，
列输入“MIRROR”。

选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框（
Box）”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。

ZEMAX使用的缺省值是波长
现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。

如下图：
2．构造转折面：第一面的厚度改为-800mm。

像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构
思考题与实践题：
1、牛顿反射式望远镜属于我们《应用光学》书本上所介绍的那种望远镜系统？
注意我们已将主反射面的距离减小到-18，第四面的半径已经被加入了一个变量标记。

新图层，检查一切是否正常。

如下图：
注意大约有4个波长的像差仍然有待改正。

现在单击第一面（光阑面）的“
设置第一面的半径为变量，再次优化（Tools，Optimization，Automatic
从主菜单，选SYSTEM，FIELDS，并将视场角的个数设置为3，输入y-
在评价函数编辑时，选Tools，Default Merit Function，并将RINGS
在遮挡器和辅助镜面之间的小缝隙纯粹是很小的一点。

这里是为了更容易让大家看到。

MTF现在已被主要是辅助镜面产生的遮挡所改变。

更新MTF窗口，看一下新的MTF，如下图：。