高明老师-光学设计(4)望远

zemax望远系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解zemax望远系统的基本原理，掌握光学设计的基本概念和术语。

2. 学生能掌握zemax软件的基本操作，包括建立望远系统模型、设置光学参数和执行光线追迹。

3. 学生能解释望远系统的像差类型，并了解其产生原因及对成像质量的影响。

技能目标：1. 学生能运用zemax软件设计简单的望远系统，包括透镜组和反射镜组合。

2. 学生能运用zemax进行光学系统的优化，改善成像质量，降低像差。

3. 学生能运用数据分析方法，对望远系统的性能进行评估和比较。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对光学工程的兴趣，激发探究光学领域的热情。

2. 学生培养团队协作精神，学会与他人共同分析和解决实际问题。

3. 学生培养创新意识，敢于尝试新方法，勇于面对挑战。

课程性质：本课程为实践性较强的学科，以zemax软件为工具，结合光学原理，培养学生的光学设计能力和实际操作技能。

学生特点：学生为高年级本科生，具备一定的光学理论基础，对光学设计和软件应用有较高的兴趣。

教学要求：教师应引导学生主动参与课堂讨论，鼓励学生动手实践，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。

同时，关注学生的情感态度，激发学生的学习热情，培养其团队协作和创新能力。

通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面均取得具体的学习成果。

二、教学内容1. 望远系统原理回顾：包括几何光学基本原理、透镜和反射镜成像特性、像差理论等，对应教材第一章内容。

2. Zemax软件基本操作：介绍Zemax软件界面、基本功能、建立光学模型流程，对应教材第二章内容。

3. 望远系统设计基础：学习透镜和反射镜组合设计方法，包括初级光学系统设计、光线追迹和像差分析，对应教材第三章内容。

4. 望远系统优化：教授光学系统优化方法，包括调整光学参数、降低像差、提高成像质量，对应教材第四章内容。

5. 实践案例分析：分析实际望远系统设计案例，结合教材第五章内容，使学生了解实际工程中的应用。

现代光学设计作业学号：**********姓名：***一、光学系统像质评价方法 (2)1.1 几何像差 (2)1.1.1 光学系统的色差 (3)1.1.2 轴上像点的单色像差─球差 (4)1.1.3 轴外像点的单色像差 (5)1.1.4 正弦差、像散、畸变 (7)1.2 垂直像差 (7)二、光学自动设计原理 (9)2.1 阻尼最小二乘法光学自动设计程序 (9)2.2 适应法光学自动设计程序 (11)三、ZEMAX光学设计 (13)3.1 望远镜物镜设计 (13)3.2 目镜设计 (17)四、照相物镜设计 (22)五、变焦系统设计 (26)一、光学系统像质评价方法所谓像差就是光学系统所成的实际像和理想像之间的差异。

由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在光学系统成像质量优劣的问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。

（1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量✧星点检验✧分辨率检验（2）设计阶段的评价方法✧几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数✧物理光学方法：点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数下面就几种典型的评价方法进行说明。

1.1 几何像差几何像差的分类如图1-1所示。

图1-1 几何像差的分类1.1.1 光学系统的色差光波实际上是波长为400~760nm 的电磁波。

光学系统中的介质对不同波长光的折射率不同的。

如图1-2，薄透镜的焦距公式为()'121111n f r r ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭(1-1) 因为折射率n 随波长的不同而改变，因此焦距也要随着波长的不同而改变，这样，当对无限远的轴上物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同。

我们把不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差，通常用C 和F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也成为近轴轴向色差。

若l ′F 和l ′c 分别表示F 与C 两种波长光线的近轴像距，则近轴轴向色差为'''FC F C l l l ∆=- (1-2)图1-2 单透镜对无限远轴上物点白光成像当焦距'f 随波长改变时，像高'y 也随之改变，不同颜色光线所成的像高也不一样。

光学课程设计——望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师：一、设计题目：光学课程设计二、设计目的：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

了解光学设计中的PW法基本原理。

三、设计原理：光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。

为了观察远处的物体,所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统. 望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统.其系统由物镜和目镜组成,当观察远处物体时,物镜的像方焦距和目镜的物方焦距重合,光学间距为零.在观察有限远的物体时,其光学间距是一个不为零的小数量,一般情况下,可以认为望远镜是由光学间距为零的物镜和目镜组成的无焦系统.常见望远镜按结构可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。

常见的望远镜大多是开普勒结构，既目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。

物镜组（入瞳）目镜组视场光阑出瞳1'1ω2'2'ω3 'f物—f目'l z'3上图为开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。

物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。

为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转像稜镜系统。

此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。

伽利略望远镜是以会聚透镜作为物镜、发散透镜作为目镜的望远镜（会聚透镜的焦距要大于发散透镜的焦距），当远处的物体通远物镜(u>2f ）在物镜后面成一个倒立缩小的实像，而这个象一个要让它成现在发散透镜（目镜）的后面即靠近眼睛这一边，当光线通过发散透镜时，人就能看到一个正立缩小的虚象。

zemax望远物镜的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握zemax软件的基本操作流程，运用其进行望远物镜的设计。

2. 学生能掌握望远物镜的光学原理，包括成像公式、焦距计算、视场角等关键概念。

3. 学生能了解并描述望远物镜在不同应用场景中的性能要求和设计要点。

技能目标：1. 学生能独立使用zemax软件，完成望远物镜的初始设计和优化。

2. 学生能够分析望远物镜的仿真结果，对设计方案进行评价和改进。

3. 学生通过小组合作，能够解决望远物镜设计过程中遇到的问题，提高团队协作能力。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到光学仪器在科学研究和国防建设中的重要性，增强国家意识和社会责任感。

2. 学生在课程学习过程中，培养科学精神，严谨求实，勇于探索未知领域。

3. 学生通过学习望远物镜设计，激发创新思维，提高实践能力，增强自信心。

课程性质：本课程为实践性较强的专业课程，旨在帮助学生将光学理论知识与实际应用相结合，提高学生的实际操作能力和综合运用能力。

学生特点：学生具备一定的光学基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但缺乏实际设计经验。

教学要求：教师需结合学生特点，采用讲授、实践、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握望远物镜的设计方法，提高学生的综合能力。

同时，注重过程评价，确保学生达到预期学习成果。

二、教学内容本章节教学内容紧密围绕课程目标，结合教材相关章节，确保教学内容科学性和系统性。

具体安排如下：1. 光学基础知识回顾：引导学生复习光学成像原理、高斯光学等基本概念，为后续望远物镜设计奠定基础。

（对应教材第2章）2. zemax软件操作：详细介绍zemax软件的基本操作流程，包括界面认识、基本命令使用、参数设置等，使学生能够熟练掌握软件操作。

（对应教材第3章）3. 望远物镜设计原理：讲解望远物镜的光学原理，如成像公式、焦距计算、视场角等，并分析其在不同应用场景中的性能要求。

（对应教材第4章）4. 望远物镜设计实践：指导学生运用zemax软件进行望远物镜的初始设计，包括搭建模型、设置参数、仿真分析等，培养学生的实际操作能力。

——望远镜系统结构参数设计设计背景：在现在科学技术中,以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。

如：天文、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等……二设计目的及意义〔1、熟悉光学系统的设计原理及方法；〔2、综合应用所学的光学知识,对基本外形尺寸计算,主要考虑像质或者相差；〔3、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理,根据所学的光学知识〔高斯公式、牛顿公式等对望远镜的外型尺寸进行基本计算；〔4、通过本次光学课程设计,认识和学习各种光学仪器〔显微镜、潜望镜等的基本测试步骤；三设计任务在运用光学知识,了解望远镜工作原理的基础上,完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或者原理设计。

并介绍光学设计中的PW 法基本原理。

同时对光学系统中存在的像差进行分析。

四望远镜的介绍1．望远镜系统：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。

利用通过透镜的光线折射或者光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像,再经过一个放大目镜而被看到。

又称"千里镜"。

望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角,使人眼能看清角距更小的细节。

望远镜第二个作用是把物镜采集到的比瞳孔直径〔最大 8 毫米粗得多的光束,送入人眼,使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。

2．望远镜的普通特性望远镜的光学系统简称望远系统,是由物镜和目镜组成。

当用在观测无限远物体时,物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合,光学间隔 d＝o。

当月在观测有限距离的物体时,两系统的光学问隔是一个不为零的小数量。

作为普通的研究,可以认为望远镜是由光学问隔为零的物镜和目镜组成的无焦系统。

这样平行光射入望远系统后,仍以平行光射出。

图9—9 表示了一种常见的望远系统的光路图。

为了方便,图中的物镜和目镜均用单透镜表示。

这种望远系统没有专门设置孔径光阑,物镜框就是孔径光阑,也是入射光瞳,出射光瞳位于目镜像方焦点之外,观察者就在此处观察物体的成伤情况。

电气工程学院课程设计说明书设计题目：内调焦望远物镜的设计系别：工业自动化仪表年级专业： xx级仪表x班学号： xxxxxxxxxxx学生姓名： xxxxx指导教师：童凯朱丹丹教师职称：副教授讲师电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：光学仪器基础课程设计2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院教务科目录第一章摘要 (4)第二章设计原理 (4)2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算 (4)2.2双胶合物镜 (5)第三章初始结构参数的计算 (6)3.1 结构类型的选择 (6)3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解 (6)3.3 后镜组的初始参数求解 (8)第四章使用ZEMAX软件优化 (10)第五章总结 (13)参考文献 (14)第一章 摘要本文中介绍了一种内调焦望远物镜的设计。

根据要求的数据求出设计的初始结构参数，焦距mm f 215'=，前镜组相对孔径是1：4.1，后镜组相对孔径为1：3.3.并用ZEMAX 软件仿真，校正球差、慧差和轴向色差。

但是由于误差的绝对存在，使的不可能达到非常理想的地步，只能是误差在允许的范围内。

第二章 设计原理2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算所谓内调焦望远物镜，是指物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物镜，利用负镜组对远近不同的物体进行调焦能使想始终位于一个固定的位置上，故把这个起内调焦作用的负镜组称为调焦镜。

由于调焦镜在镜筒内部，调焦时不改变筒长，所以称为内调焦望远镜，与外调焦望远镜相比，它具有筒长短、封密性好的优点，因此广泛用于大地测量仪器中。

负镜组可将主面提前，使筒长显著减小。

其缩小比为 'f L m =()1-1焦距等效距离。

是筒长；式中，'f L 在望远镜做测距用时，测距方程为s c Kl s += ()2-1 式中，s 是被测距离；l 是读轮的读数，一般去K=100；s c 是常数。

用望远镜测距时，用满足准距条件时， 0211='+'+-f f d L δδ 0=s c().20~152mm L+=δδ一般取是前组到转轴的距离，式中，。

光学系统设计的具体过程: 「1、根据使用要杷定合理的技耒药T]（2.光学系经创始盈构确込）[4、参数规化（、卜径套样板、片度恻整〉 5、公滩分析〕二像差1. 在级数展开过程中.所忽略的商次项即表征了光学系统的实际像与埋想像之间的差异.这种差异即为像 差。

2.「A 单色像差*•儿何像差・ 球差.彗差（正弦差）.像散.场曲、畸变L 》色 差位置色差、倍率色差•波 差实际波面与理想球面的偏差称为波像差，简称波差。

3 .1）对光能接收器的垠灵敬的谱线校正单色像差；2）对接收器所能接收的波段范鬧两边缘附近的谱线校正色差；一）球養（孔径的函数）（球筮是轴上点成像存在的唯一的一种单色像澄）1. 轴上一点发出的不同孔径和入射商度的光在通过光学系统后有不同的像距，就是球差oL^f-r危害：球差帯來的危害是一个恻形弥散斑，影响像的淸晰度校正^1） 单个正透镜产生负球差，笊个负透镜产生正球差。

因此用正负透镜组合校正球差。

2） 非球面校正球差：在zemax 中，点击分析•朵项、轴向像差查看2•单个折射球面的无球差点：1） M iL=Olht. LM ）.即物点与球面顶点重合时不产生球差：2） 、"ismI ・sinT = O ・即1=1' = 0时.这时L = L' = r ・即物点位于球面球心时，不产生球差。

r n + n r , n + n n _ nL f ifL = -------- r L =—/• /3=—- = — 2. ） 11 , 11 ， 11L n '.这一对共觇点称为不晕点，或齐明点【仞」1】物点位于透镜第一面的球心，第二面为不晕面。

■第■面：L\ =L f \ =T],0]=®/叭=l/n;■第一面：L^= L fL f 2 = ”必2卅 2=也2、厂2=”2厶 2/（"2十"‘2）=«£2/（«+1）, 02=（捕呛片乩3. 球差的级数展开式：初级球差与孔径的平方成正比.二级球差与孔径的I 川次方成正比。

1.理想光学系统：一个理想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，从而理想的交与一点。

一个理想光学系统应能使一个点物发出的所有光线通过光学系统之后仍然能够交于一点，理想观雪系统同时满足直线成像直线，平面呈像平面。

P12.像差：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。

P13.视场：光学系统中描述成像范围大小的参量称为视场，系统对近距离物体成像时，视场的大小一般用物体的高度y表示，对远距离物体成像时，视场大小用视场角表示。

P4视场光阑：光学系统中用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑。

入窗：视场光阑经前面的光组在物空间所成的像称为入射窗；出窗：视场光阑经后面的光组在像空间所成的像称为出射窗；入射窗与物面重合，出射窗与像面重合。

出射窗是入射窗经整个系统所成的像。

4.孔径：描述成像光束大小的参量称为孔径。

系统对近距离物体成像时，其孔径大小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔径大小用孔径高度h表示。

孔径光阑：光学系统中用于限制轴上点成像光束大小的光阑称为孔径光阑，孔径光阑的大小决定成像面上的照度。

入瞳：孔径光阑通过其前面光学系统所成的像称为入瞳，它决定进入系统光束的大小，入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；出瞳：孔径光阑通过它后面光学系统所成的像称为出瞳，决定从系统出射光束的大小，出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。

注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭。

5.渐晕：实际光学系统视场边缘的像面照度一般允许比轴上点适当降低，也就是轴外子午光束的宽度比轴上点光束的宽度小，这种现象叫做“渐晕”。

P56.位置色差：描述两种色光对轴上物点成像位置差异的色差称为位置色差或轴向色差；倍率色差：因不同色光成像倍率的不同而造成物体的像大小差异的色差称为倍率色差或垂轴色差。

（光学系统对不同色光的放大率的差异称为倍率色差。

）色球差：高级位置色差实际上就是球差的色变化，这就是色球差的概念。

1. 设计一个望远镜(焦距100mm，全视场角8度)2. 设计一个显微镜（放大倍率10倍，NA=0.2，共轭距离210mm）3. 设计一个照相物镜（焦距50mm，相对孔径1/2，全视场角50度）内容:（1）通过给定的参数，计算出其他参数值。

（2）分析系统需要校正的象差类型。

（3）通过手册查询初始结构，并回答所属类型，然后输入到计算机软件中给出输入结果的二维图。

（4）采用上机学到的知识进行全部优化。

给出MTF结果。

（5）采用上机学习的知识进行对样板和公差分析，给出操作步骤的图片和结果。

（6）绘制出光学系统图。

望远物镜设计（1）f’=100, D/f’=1/4, D=25mm, 2w=8（2）系统需校正的像差：球差、慧差、色差、场曲（3）查手册选初始结构，f’=109.81, D/f’=1/2.2,2w=12，l’f=99.12 .属于双胶合、双分离摄远物镜二维输出结果：（4）（5）采用上机学习的知识进行对样板和公差分析，给出操作步骤的图片和结果。

步骤：一. 设定Tolerance Data1. 一般情况我们可以利用Zemax 的Default Tolerances 进行设置，在Tolerance Data Editor 中Tools 菜单下有Default Tolerances 选项。

弹出如下对话框:在此对话框可以对各面的R值，TC,偏心(Decenter),倾斜(Titlt),不规则度(Irregularity)及材质的公差进行设定。

各项意义如下：Surface Tolerances 一列Ｒadius.(半径公差)，它可以使用一个具体的量(Millmeters 此为Lens Unit)作为限制，也可使用干涉条纹数(Fringes)做为限制。

Thickness(中心厚度),它以当前ZemaxFile 中的Lens Unit 做为单位。

Decenter X/Decenter Y 偏心公差差Tilt X/Tilt Y 面的倾角S + A Irreg Spherical and Astigmatism 不规则度(仅对于Standard Surface Type)Zern Irreg 泽尔尼克不规则度(Zernike Irregularity)Index 玻璃材质折射率Abbe 玻璃材质色散系数Element Tolerances 一列只有Decenter 及Tilt 的设定，其意义同上，但与Surface Tolerances 的区别是它将应用一个元件而不是一个光学表面。

光学设计方案1. 方法流程1.1 整体设计思路这个光学设计方案主要是为了满足特定的光学功能需求，比如成像、聚焦或者光的传输等。

我会根据光学的基本原理，像光线的折射、反射定律等，来设计光学系统的结构。

这样安排是因为光学系统必须遵循这些基本原理才能正常工作，就像盖房子要遵循力学原理一样。

1.2 背景故事其实是有这么个情况，我们有个项目需要对一个光学设备进行优化或者新设计一个光学设备来解决一些实际问题，比如说提高成像的清晰度或者扩大视野范围。

所以就有了这个光学设计方案。

1.3 计划框架这个方案的核心逻辑就像做一道菜。

首先得确定主要食材（光学元件），然后确定烹饪方法（光学元件的组合和布置方式），最后进行调味（调整光学参数），这样才能做出一道美味的菜肴（满足要求的光学系统）。

2. 实施步骤2.1 启动阶段2.1.1 确定设计目标首先我们要明确这个光学设计是为了实现什么功能，是为了望远、显微还是其他的。

这一步由光学工程师负责，他需要有扎实的光学知识，能够根据实际需求准确地定义设计目标。

这一阶段大概需要1 - 2天。

2.1.2 收集相关资料要收集和研究现有的类似光学系统的资料，看看别人是怎么做的。

这个任务可以安排给一个助理工程师或者实习生来做，他需要有一定的资料收集和整理能力。

大概花费1周的时间。

2.2 规划阶段2.2.1 选择光学元件根据设计目标来选择合适的光学元件，比如透镜、反射镜等。

这需要光学工程师来主导，他要考虑元件的光学特性、成本等因素。

大概需要2 - 3天。

2.2.2 初步布局设计确定光学元件的初步布局，就像规划房子里各个房间的位置一样。

还是由光学工程师负责，他要依据光学原理进行布局，这一步大概需要3 - 5天。

2.3 优化阶段2.3.1 光学模拟利用光学模拟软件对初步设计进行模拟，看看光线传播是否符合预期。

这需要有熟练操作光学模拟软件的工程师来做，大概花费1 - 2周的时间。

2.3.2 根据模拟结果调整如果模拟结果不理想，就根据结果调整光学元件的参数或者布局。