光学设计实例——显微镜物镜、双高斯照相物镜共22页

双高斯照相物镜设计
：杜晔
学号：124090409
1.2ω=30度
2.工作波段：F光，D光，C光
3.入瞳直径：8mm
4.FFF MTF：100lp/mm时的MTF值不应小于0.5
系统具体参数：
1.Lens Data Editor
2.系统二维图
3.系统三维图
4.点列图
1）当ω=15度时，系统的慧差较大。

2）虽然系统的慧差较大，但系统的弥散斑半径很小。

3）系统的弥散斑半径较小，该系统符合设计要求
5.MTF曲线
1）当所有视场在100lp/mm处时，MTF曲线>0.5。

符合系统设计要求。

2）图中黑色的线为衍射极限，图中其他曲线的走势和衍射极限的走势基本相同，系统较为优秀。

3）S曲线（弧矢曲线）与T曲线（子午曲线）基本重合，说明镜头的像散比较小。

4）图中曲线非常平直，说明边缘与中间一致非常好。

6.Ray Fan（光线扇面）
7.OPD Fan(光程差扇形图)
8.Field Curv/Dist（场曲）
9.FFT PSF（点扩散函数）
10.Diffraction Encircled Energy（包围圆能量曲线）
在上图中，曲线较为陡直，且拐弯点较高，说明该系统较好。

实例5：双高斯物镜(结构要求的推导)像质要求估算：以离开10英寸（254mm）远的距离、观察8英寸×10英寸（即203.2mm×254mm）打印纸、估算最小可分辨的弥散斑为例。

离开10英寸距离，眼睛的最小分辨角为1弧分=0.0003rad，则弥散斑直径=0.003英寸；底片尺寸（36mm×24mm）是打印纸的1/7.06倍, 则底片上成像弥散斑直径为0.003/7.06=0.00042英寸=0.0107mm；对于一个真正的照相系统，通常对MTF有更复杂的技术要求。

双高斯物镜双高斯物镜是一个对称型结构，借以校正垂轴像差——彗差、畸变和垂轴色差，因此其每一半应能校正轴向像差——球差、像散、场曲和轴向色差；保持其对称性很重要。

为校正场曲，必须有两个正负光焦度且分离的薄透镜组，最简单的就是弯月厚透镜；高斯结构的特点是凸面靠外，这有利于其提高相对孔径，但它不能校正球差和轴向色差，为此把弯月厚透镜变成双胶合透镜，但双胶合透镜内的光焦度分配主要考虑的是校正场曲，轴向色差可能得不到很好校正，为此又加了一个分离的正透镜，它也分担了双胶合正透镜的一部分光焦度。

用正负光焦度分配校正场曲；有了正负光焦度的透镜，选择折射率并弯曲透镜，可使球差校正，选择色散可以使轴向色差校正。

光阑的恰当位置可以使像散校正。

双高斯物镜一般用到1:2.8，±20°，为增大孔径或视场或提高成像质量，形成大量的各种复杂化的专利，下面将Fischer提供的USP217252(1938)作为优化的例子，如所附，实例提供的初始结构存在很大像差，为1㎜量级，最后的结果剩余像差在20μm量级，并涉及大致的过程（数年内多次的略有不同的历程）。

下面的做法略有不同1，只用d线（先校单色像差，不校正色差），在solve r11，保持Marginal ray angle = -0.25，以保持焦距不变及d11由Marginal ray height=0的条件下，用Default merit function，可以使用MF由初始的24.9—>1.0。

前言双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。

设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。

在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲ⅣS ，利用薄透镜的弯曲可以校正球差ⅠS ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散ⅢS ，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差ⅠC 。

双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。

在厚透镜的背后加上一块正、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。

二、用初级像差理论确定初始结构1、半部系统的规划半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件。

，，101111==-=h u u z2、以厚透镜校正ⅣS考虑到对高级像散的平衡，取07.0-=ⅣS 。

按相对孔径需要选15.0=d 。

玻璃可取BaF7和ZK8的组合。

由式子()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-==-=--b d nS n a n nS n c c c c c c 12212111ⅣⅣρρρρ可得 549.5729.5766026.31184006.021-=-==-=c c b a ρρ，，3、加无光焦度双薄透镜校正ⅠS取3.1=-==b a ψψψ（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。

（1） 求c S u Ⅰ、2。

()()()()[]52.17311719.212222322121=---+=-=-=-u u n du u n S nr n u n cⅠ（2） 求个面曲率半径由式子⎪⎩⎪⎨⎧--==11221n b b b c b ψρρρρ，⎩⎨⎧==a a a a a a ψρρψρρ2211及式子⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧====241322111111a a b c r r r r ρρρρ可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：4143.03721.32917.01745.04321-=-=-=-=r r r r 4、求校正ⅢS 的孔径光阑位置根据校正ⅢS 的要求，有∑=++=0c ⅢⅢⅢⅢS S S S b a令A l h z z =-=11，则()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=--=++=+=n d A h h n u i di nh A i i A i z z c z 222222221111111ρ 由以上各式可得 0869.0=-=z l A从上述计算可知，由于透镜c b a 、、合成后球差系数∑=0ⅠS ，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说A 只有一个根。

双高斯照相物镜课程设计1 设计案例式教学方案案例式教学的着眼点在于学生创造能力以及实际解决问题的能力的培养，而不仅仅是照本宣科，有助于深入了解专业领域知识和提高专业技能。

通过案例式教学，令学生接触到实际工程案例，将书本上抽象的知识转化到具体的案例任务，在实际设计与操作中深化知识理解，同时培养学生的创新意识与自主学习意识。

由于这种形式的教学需要较强的信息收集能力与自学能力，因此非常适合研究生。

将案例式教学结合到《现代光学设计及仪器》课程中，通过教学探索，利用案例式教学的优势，突破传统教学脱离实际的困境，令学生通过这种“做中学”的形式获取知识，从而真正掌握技能，实现更高水平的研究生培养。

2 建设案例教学中，以培养目标为指导，基于课程目标与课程内容，根据本专业学生日后深造与就业的实际情况，参照实际设计任务标准，选取课程教学案例，需建立不同难度层次与不同设计类型的案例库。

为了真正对学生的学习结果进行考查与评价，同时，为了打破任课教师个人知识水平的局限性，本课程中，案例库来源主要有三个途径，第一为文献搜集、专利查询等；第二为历年光电赛的赛题中摘取光学设计部分；第三为向全院教师征集的合作企业需求。

案例的筛选原则为：覆盖课程大纲中的主要知识点，同时考虑案例的典型性、实用性、创新性，案例选择应由易到难，循序渐进。

3 打造混合教学模式由于引入了案例式教学，传统的课上教学时间已不能满足教学需要；同时，为了培养学生的积极性，将教学模式从原来的“课堂教学”延展到“课前—课上—课后”的拓展课堂形式这种拓展课堂的形式能够提高学生主动学习的能力。

教学过程中，主要包括“任务导入”“方案制定”“方案实施”“结果反馈”四个环节。

课前，教师将案例布置给学生，完成“任务导入”，明确项目任务及目标，令学生对设计任务形成直观的认识；学生需要在课前进行信息搜集与资料分析，对案例形成深入理解。

课上，完成“方案制定”，学生对任务目标进行分析，确定完成任务所涉及的各种要素，确定实施方案；同时教师完成指导与答疑，把握方案设计方向。

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》目录一、介绍.................................................................................. - 3 -二、用初级像差理论确定初始结构 ............................................... - 4 -三、用ZEMAX优化................................................................. - 9 -四、结论............................................................................... - 16 -五、心得体会.......................................................................... - 16 -参考文献................................................................................ - 18 -一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。

设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。

在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲ⅣS ，利用薄透镜的弯曲可以校正球差ⅠS ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散ⅢS ，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差ⅠC 。

双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。

设计要求：焦距50mm，视场角60︒，相对孔径1：2.5
已有双高斯镜头
该系统的焦距为50，视场角为40︒，相对孔径1：2，子午光束渐晕系数：全视场K=0.65, 0.7视场K=0.8
步骤：
入瞳：25，波长：可见光，视场：角度为0，14，20分别对应0，0.7，1视场。

在0.7视场中的VCY输入渐晕压缩因子（1-0.8=0.2），在1视场中的VCY输入渐晕压缩因子（1-0.65=0.35）
第11面的厚度那选择MRH，可看二维图。

第一次优化：
焦距不需要缩放，由于要求的相对孔径为1：2.5，则入瞳改为20.由于要求的视场角与初始系统的视场角相差大，所以需要逐次优化接近设计要求。

第一次．将视场角改为0，17，25度，渐晕因子不变。

确定自变量：10个曲率（光阑除外）加上8个厚度（两个0.1为微小空气间隔除外）
建立评价函数：EFFL=50,另外加入边界条件
权重都为1
优化5次就可。

第二次优化：把角度改为0，21，30度，再优化。

发现MTF不太好，这是固有的问题，所以要换玻璃。

可以把n作为变量，优化。

注意：运算次数最好5次进行，否则跑的太远了。

把n变量去掉后，发现玻璃变了，但是此时的MTF又会有所改变。

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》目录一、介绍............................................................................................................... - 2 -二、用初级像差理论确定初始结构 ................................................................ - 3 -三、用ZEMAX优化 .......................................................................................... - 10 -四、总结........................................................................................................... - 31 -五、心得体会..................................................................................................... - 31 -参考文献............................................................................................................. - 33 -v1.0 可编辑可修改一、介绍双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。

双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。

图 1 双高斯物镜由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。