哈工大 光机系统设计 双胶合透镜 实验报告

第1篇一、实验目的1. 了解光学综合透镜的基本原理和特性。

2. 掌握光学综合透镜的组装和调试方法。

3. 研究不同透镜组合对光学系统性能的影响。

二、实验原理光学综合透镜是由多个光学元件（如透镜、棱镜等）组合而成的光学系统。

通过合理组合和调整这些元件，可以实现对光线的聚焦、发散、偏振、反射等操作，从而实现特定的光学功能。

三、实验仪器与材料1. 光具座2. 凸透镜3. 凹透镜4. 棱镜5. 滤光片6. 光源7. 光屏8. 测量工具（如刻度尺、量角器等）四、实验内容与步骤1. 组装光学系统（1）将光源固定在光具座上，调整光源位置，使光线垂直照射到光学系统。

（2）将凸透镜和凹透镜依次放置在光具座上，调整它们的位置，使光线通过透镜后聚焦到光屏上。

（3）根据需要，将棱镜和滤光片插入光路中，观察光线的偏振、反射等现象。

2. 调试光学系统（1）调整透镜和棱镜的位置，使光线在光屏上形成清晰的像。

（2）调整滤光片的位置，观察不同波长光线对光学系统性能的影响。

3. 研究不同透镜组合对光学系统性能的影响（1）改变透镜的顺序，观察光线的聚焦、发散、偏振等现象。

（2）改变透镜的厚度，观察光学系统性能的变化。

（3）改变棱镜的倾斜角度，观察光线的偏振和反射现象。

五、实验数据与分析1. 光线聚焦实验（1）将凸透镜和凹透镜依次放置在光具座上，调整它们的位置，使光线通过透镜后聚焦到光屏上。

（2）记录聚焦点位置，分析透镜组合对聚焦效果的影响。

2. 光线发散实验（1）将凹透镜放置在光具座上，调整其位置，使光线通过透镜后发散。

（2）记录发散光线的角度，分析透镜对发散效果的影响。

3. 光线偏振实验（1）将棱镜插入光路中，调整其倾斜角度，观察光线的偏振现象。

（2）记录偏振光线的方向，分析棱镜对偏振效果的影响。

4. 光线反射实验（1）将滤光片插入光路中，调整其位置，观察光线的反射现象。

（2）记录反射光线的强度和方向，分析滤光片对反射效果的影响。

六、实验结论1. 通过实验，掌握了光学综合透镜的组装和调试方法。

光学设计报告04111102一.双胶合望远物镜设计（一）．参数计算 1. 求J h h z ，，根据光学特性的要求： '4*3.714.8D D =Γ==4.728.142===D h35tan5 3.062z h =⨯=087.0''==f h u''tan 85tan57.437y f ω=∙=⨯=647.0'''==y u n J2.计算平行玻璃板的像差和数C S S S I II I ，， 平行玻璃板入射光束的有关参数为087.0=utan(5)0.0875z u =-=-1zu u≈- 平行玻璃板本身的参数为d=31mm ； n=1.5163； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得：4324432106.61.51631-1.5163×0.087×-311-I ⨯-==--=du n n S 44= =-6.610(-1)=6.610z u S S u --II I ⎛⎫⨯⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭224221 1.51631310.0878.21064.1 1.5163C n S du n υ-I --=-=-⨯⨯=-⨯⨯ 3.列出初级像差方程式求解双胶合物镜的C W P ，，∞∞理想状态下整个物镜系统的像差和数C S S S I II I ，，满足0=I S ； 0=II S ； 0=I C S 。

由于棱镜物镜系统S S S +=所以双胶合物镜的像差和数为4106.6--I I I ⨯==棱镜系统S S S4- 6.610S S S II II -II ==-⨯系统棱镜 4-8.210C C C S S S I I -I ==⨯系统棱镜(1)列出初级像差方程求P ，W ，C4106.64.7-I ⨯===P hP S 5109.8-⨯=P 4-6.610z S h PJ W -II =-=⨯31.4410W -=⨯4221022.84.7-I ⨯===C C h S C51.5010C -=⨯(2)由P ，W ，C 求C W P ，，∞∞由于h=7.4，f ’=85，因此有087.0=ϕh321057.7)(-⨯=ϕh431059.6)(-⨯=ϕh进而可得：135.0)(3==ϕh P P20.19()W W h φ=='0.00128C Cf ==由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化：135.0==∞P P 0.19W W ∞==0.00128C =将∞∞W P ，带入公式求0P200.85(0.15)0.134P P W ∞∞=--≈ 根据00128.0=C ，00.134P =查找玻璃组合。

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：基于ZMAX的光机系统设计班级：0936203姓名：蔡海蛟学号：6090120331哈尔滨工业大学一.实验目的(1)熟悉并掌握ZMAX软件的使用(2)熟悉光学系统设计的步骤及方法(3)了解牛顿式望远镜和施密特—卡塞格林系统，并对其相差有一定了解(4)学会用ZMAX设计简单的光学系统，并对系统进行像质分析和系统优化二.基本原理(1)实验一、牛顿望远镜牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜。

牛顿望远镜是由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无它物。

抛物线很好地矫正了所有阶的球差，将望远镜使用在轴上系统，就没有其他的像差。

(2)实验二、带有非球面矫正器的施密特—卡塞格林系统施密特-卡塞格林望远镜（Schmidt-Cassegrain）属于折反射(Catadioptrics)类别。

施-卡望远镜的设计是以伯恩哈德施密特的施密特摄星仪为基础：使用球面镜做主镜（沿袭施密特摄星仪的设计）以施密特修正板来改正球面像差承袭卡塞格林的设计，以凸面镜做次镜，施密特-卡塞格林望远镜（Schmidt-Cassegrain）属于折反射(Catadioptrics)类别。

在施密特-卡塞格林系统，光通过薄的非球面校正透镜进入镜筒，然后接触球面主镜。

被球面主镜反射的光线折回镜筒开口中部的第二反射镜，然后再次被第二反射镜反射，光线通过镜筒内部中间的管子聚集在目镜形成图象。

三.系统结构(1)实验一、牛顿望远镜图一.牛顿望远镜原理图利用ZMAX设计牛顿望远镜：设计一个1000mm F/5的望远镜(及需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和一个200mm 的孔径)。

移动光标到第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-2000.0，负号表示为凹面。

现在在同一个面上输入厚度值-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后方”传递。

各专业全套优秀毕业设计图纸《光电系统》课程设计报告姓名：唐晋川班级：0211102学号：2011210818一、设计题目——双胶合透镜优化设计双胶合透镜优化设计双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

根据上述原理使用OSLO软件进行双胶合透镜的设计并对其中一种特性进行优化设计，使得双胶合透镜的参数比较理想。

二、设计原理双胶合透镜优化设计：双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

优化是光学系统设计过程中最重要的一步，一般来说初始结构的像质并不是很理想的，只有经过优化才能使光学系统的性能达到我们需要的状态。

通过初始设计的双胶合透镜像差不符合要求，所以要对其进行优化。

优化之前要进行两个必要的步骤：要确定优化变量和选用评价函数。

理论上讲，透镜组的全部结构参数都可以作为优化变量参与优化，光学系统中影响像质的因素是曲率半径r，折射率n和厚度d。

三、实验日志：1、使用oslo软件对双胶合透镜进行设计。

2、使用oslo软件对双胶合透镜进行优化设计。

四、实验步骤双胶合透镜设计并优化（1）双胶合透镜设计○1新建镜头文件○2输入透镜光学特性参数○3输入镜面数据○4保存透镜数据（2）双胶合透镜优化○1打开透镜文件并另存○2设置优化变量○3设置误差函数○4进行优化五、实验结果与分析双胶合透镜优化设计我对双胶合透镜所进行的优化是从透镜的像差着手进行的，从后面的数据中我们可以看出通过改变透镜的曲率半径、光圈大小和透镜的厚度都可以明显改善透镜的像差，从而提高透镜的成像质量。

综合考虑，我进行了三次优化，分别通过优化曲率半径、优化光圈大小和优化透镜的厚度来达到设计的目的。

双胶合透镜的原始最小RMS值为4.252773，像差值为-0.031841。

经过优化曲率半径后的最小RMS值为2.506337，像差值为-0.018681，经过优化透镜的厚度的最小RMS 值为1.8，像差值为-0.17142，最后经过优化光圈大小得出了经过三次优化的透镜的最小RMS值为1.639445，像差值为-0.014059，显然我们得出了很好的效果使得仿真比较成功。

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：。

设计题目设计题目：设计双胶合会聚透镜相对孔径 F=4；4400DF D mm f ==⇒=；焦距f ‘=100mm波长范围：可见光视场角 0°校正：球差，慧差、色差。

设计过程：1、 用PWC 法或镜头库确定原型，输入透镜数据2、 分析原型相差3、 优化4、 分析优化结果题目结束相关知识喷血，大牛可直接掠过或斧正塞得和系数引发的血案：塞得和系数的自变量有内部参数和外部参数，外部参数取决外部光线。

内部参数除PWC 外还与入射孔径角有关（孔径角应该随比例不变）；PWC 可由辅助光线参数求出，若由多个面构成则由多个面求和。

(PWC)0参数，单透镜取决于折射率，系统取决于系统结构。

P W C ∞∞∞是物面处于无穷远时，目的在于搞掉入射孔径角。

以上参数在实际系统有转换公式，待定参数反应系统结构、特性。

21()(1)n i i i i i u u P n n =∆=∆∆∑；1()(1)n i i i i i u u W n n =∆=∆∆∑； 其中'''1111;;;'i i i i i i i i i i u u u u u n n n n n n ∆=-∆=-∆=-闲话少说，言归正传，求解开始双胶合物镜求解过程：（1） P 0；20200.85(0.1)0.85(0.2)P P W P P W ∞∞∞∞⎧=++⎪⎨⎪=++⎩……[1] 冕牌玻璃在前……[2] 火石玻璃在前求出P 0；当物处于无穷远时，P ∞、W ∞均为0（孔径角消失）。

由[1]求得00.0085P =-；此时默认冕牌玻璃在前。

可选择K7+ZF3，此时色差0I C =;00.012P =；0 4.11Q =-若由[2]求得00.034P =-，且火石玻璃在前，ZF2+BaK2，此时0I C =；00.032P =-；0 5.05Q =-（2）0 4.11 4.110.06014Q Q =±=-±=-±；00.154.110.089821.67W Q Q ∞-=-=-+；则取：0 4.11 4.110.06014 4.05Q Q =±=-+=-+=-（3） 求解光焦度分配121221111()()1C v v v ϕϕϕ⎧=--⎪⎨⎪=-⎩；11212122160.63111()() 1.948264860.6329.5110.9482648v C v v v v v ϕϕϕ⎧=--===⎪--⎨⎪=-=-⎩ （4） 由上式中Q 求解结构参数：212111121111213322221 2.10171 1.6829201111111-0.6765111Q r n Q r n n n Q r r n n n ρϕϕϕρρϕϕρ⎧==+=-⎪⎪⎪==+=+=⎨--⎪⎪-==-=+-=⎪---⎩1230.594210.475811.4782r r r =⎧⎪⇒=-⎨⎪=-⎩；（5） 带入zemax 中进行优化：代入软件后在，lens data 里面把参数输入好。

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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：。

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一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图；传递函数：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。