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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: 教授摘要 (1)关键词 (1)第一章课题要求1.1课题背景 (2)1.2设计目的 (2)1.3设计内容和要求 (2)第二章方案分析2.1课题名称 (3)2.2主要数据 (3)2.3设计思路 (3)2.4实现原理 (3)2.5主要过程 (4)第三章光学系统设计3.1光圈参数设定 (5)3.2视场参数设定 (5)3.3波长设定 (6)3.4玻璃厚度的设定 (6)3.5像空间的设定 (7)第四章光学系统分析4.1 2D光路分布草图 (7)4.2 标准点列图Spot Diagram (8)4.3 光路图OPD FAN (9)4.4 光线相差图RAY FAN (10)4.5波前分布图 (11)第五章光学系统优化5.1光学系统调焦 (12)5.2设置可变参数 (13)5.3优化函数设定 (13)5.4最终优化 (14)第六章系统优化前后比较6.1优化后的2D草图 (15)6.2优化后的标准点列 (15)6.3优化后光路图 (16)第七章心得体会心得体会 (17)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第一章课题要求1.1课题背景随着计算机技术的不断进步和发展，在光学系统的设计过程中越来越多得利用到计算机技术，其中ZEMAX就是一款应用十分广泛的的光学设计软件，具有功能完善、操作简单、准确性高、人机交互性好等特点，极大地简化了光学系统的设计过程。
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)表面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达到最小，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。
利用配曲法可部分消除单透镜的彗差，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：结构简单，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。
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。
Zemax光学设计：双片式透镜的Seidel像差及校正双片式物镜适用于很多小口径（最大为f/4）和小视场角的情况。
双片物镜的两个元件可以胶合在一起，也可以用空气间隔分开。
在大多数情况下，两片透镜是胶合在一起的，因为这样公差更容易满足而且更牢固。
双片镜可以单独使用，也可以用作准直镜或者望远镜的物镜。
许多透镜系统都含有若干个双片镜。
对单个双片式物镜探讨得到的大部分结果，也适用于复杂系统中的双片镜。
1.双片式物镜的Seidel分析1.1色差2.由在光阑处的薄透镜的轴向色差的Seidel方程：若要使双片式物镜的轴向色差得以校正，需要满足的条件为：同时，两个透镜的光焦度的和等于总光焦度：联立上面两式可以求出：在常规的光学设计中，常用玻璃库中，折射率范围在1.5至1.8之间，V值范围在90至20之间例如，取V1=60，V2=36，代入上式可得：1.2像散与场曲的横向光线像差三阶像散与场曲的横向光线像差为：注意，δη`表示y分量（即y-z平面或子午面内的光线，），δξ`表示x分量（即x-z平面或弧矢面内的光线）。
又因为薄透镜在光阑上，当n=1.5时，则上式可以简化为：例如，一个双片式透镜，焦距f`=100mm，即光焦度K=0.01mm-1，孔径为f/5，透镜的数值孔径（在空气中）u`=n`sinU`约为0.1，半视场角为1°，那么像高η`=f`tam(1°)≈1.74mm。
因此，可以计算得到：在ZEMAX中模拟上述这个例子。
在MFE中可以使用操作数查看透镜的数值孔径（在空气中）u`=n`sinU`约为0.1，和像高η`：再查看SeidelCoefficient：1.3同时校正 Petzval 和与轴向色差同时校正镜头的所有像差是不可能的。
对于可见光波段的双片式透镜，这点更为明显。
双片式透镜可以改变的设计参数非常少，而且很多可以产生更好结果的玻璃不能用。
例如，两个贴在一起的双片式透镜的场曲为：其轴向色差为：这两个方程非常类似，若我们可以找到一对玻璃满足以下条件：就可以同时校正S4和C1。
光学镜片之《双胶合消色差镜片的原理与制造》在《望远镜的光学材料、零件与镜片结构》里，已经介绍，正规望远镜所用的镜片，不但所用材料为高级别的优质光学玻璃，而且结构也与普通镜片不一样，使用的是消色差镜片。
那么，消色差镜片什么样？它又是如何诞生的？这是一枚来自枪瞄目镜中的镜片，与我们的望远镜里面的镜片，结构基本是一样的。
仔细观察，是否发现了什么没有？经过一些特殊的方法，我们把这枚双胶合镜片分离，可以看到，它其实是由一枚凹透镜，和一枚凸透镜组成。
为什么要做成这么复杂的结构呢在大名鼎鼎的牛顿时代，所有的望远镜，都存在一个不可逾越的问题，那就是色差。
当时的望远镜，效果看上去都是这个样子。
所有的景物轮廓，都如同彩虹构成，不是锐利的线条，而是一条条彩带。
因为望远镜是根据人们的需要，依靠各种透镜来加工光线的，而普通透镜在对光线进行加工的同时，却会不可避免的产生一种副作用，那就是将光线分离出“红橙黄绿青蓝紫”。
一束构成景物的白色光线进入望远镜，当它从望远镜出来，要进入人的眼睛的时候，却已经成了模糊不清的、宽宽的彩带。
为了尽可能减弱透镜的这种问题的干扰，当时的人们尽可能采用弧度比较小、比较平的透镜来做望远镜，但是这带来另一个问题，那就是望远镜的长度会因此直线上升，比如当时最顶尖的（在当时地位类似于世界上最大的天文台）一架望远镜，长度竟然达46米！（而在当时这样的世界顶尖的望远镜的效果，与我们现在的每个人都可以拥有的千元左右的高倍台式观景望远镜相比，在视野、色彩、画面变形、清晰度上仍难以企及和媲美！可见光学技术的发展和变革巨大之让人震撼。
而当人们把热情投入到越做越长的望远镜上之时，柳暗花明，随着光学玻璃的发展，以及人们对光学的熟悉，近现代光学最著名的一个重大发明、光学泰斗牛顿，曾经断言永远不可能出现的：消色差镜片粲然出现。
人们发现，不同的玻璃，对光线的色散性能是不同的，而这就提供了一个方向，在“一枚”镜片上，采用两种玻璃，当光线经过“这枚”镜片一边的时候，产生色差，但是到另一边的时候，新产生的色差恰好相反，会对前面出现的色差产生抵消——当这两种玻璃之间的边界在一个恰到好处的弧度时——色差将全部中和。
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：。
(3).(4).(5).000双胶合透镜的初始结构参数为:000优化步骤:0001.在评价函数的操作数中输入有效焦距EFFL,目标值为43.33.权重为1.垂轴放大率PMAG,目标值为-0.5,权重为1.加入轴上点全孔径d光的纵向像差LONA,轴上点0.707孔径下F光和C光的轴向色差AXCL00和正弦差OSCD,目标值为0,权重为1.0002.把球差较大的2.3 面的曲率半径设为变量开始优化,然后再把1面的曲率半径也设为变量自动优化.000在评价函数的操作数中加上像距TOTR,目标值为65,权重为1. 自动优化,然后调整这个目标数,使优化达到最好,最后数为68.4.为了使初始结构的像距不至于改变太大,固定为64.由于厚度对优化不时很敏感,不把厚度作为变量,且由最小厚度选的值便于加工且成本最低.0 003.从pre中可以发现优化后的NA值只有0.098. 于是试着增大有效焦距的目标值,发现MTF曲线有所改善,最后在43.42处找到最好的优化点.004.为了更好的改善MTF的曲线,发现在频率126lp/mm处与衍射极限处相差最大.于是加入操作数子午的传递函数MTFT,目标值为0.5, 权重为1.最后优化得满足要求的曲线.000最后的评价函数操作数:000优化后的结构参数为:000优化后的MTF曲线(取主频率30 lp/mm):00优化后的二维结构图为: 共轭距为195.0000mm. 000优化后的点列图和各种像差曲线为:000优化后系统的像差(赛得和数)为:000双胶合透镜的二级光谱色差为:△l'= -f'(p1-p2)/(v1-v2)其中,p1,p2和v1,v2 分别为两种消色差材料的相对部分色散和阿贝数.000经查表可得:p1=0.01015. p2 =0.02431. v1=56.0. v2=29.5.000优化后的焦距为43.410513.000。
