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双胶合望远物镜的设计
1.确定要设计的望远镜的需求和目标。
这包括确定观测目标的类型（是天文观测还是地球观测）、期望的分辨率和光学口径等。
2.确定物镜的基本参数。
物镜的基本参数包括光学口径、焦距和波长范围等。
根据观测需求和目标来确定这些参数，以便在设计过程中进行优化。
3.进行双胶合物镜的初步设计。
双胶合物镜由两个物镜镜头组成，其中一个作为物镜，另一个作为准直镜。
初步设计包括确定物镜和准直镜的曲率半径、厚度、孔径等参数，并进行初步的光学系统分析和优化。
4.进行双胶合物镜的最终设计。
最终设计包括对镜片的形状、曲率、厚度等进行进一步优化，使得物镜和准直镜在光学性能上达到最佳状态。
这一步骤通常需要使用光学设计软件进行模拟和分析。
5.进行光学系统的完整性分析。
完成物镜和准直镜的设计后，需要对整个光学系统进行分析，以确保在不同焦距和观测条件下都能达到预期的性能。
这包括通过使用衍射图像圆点函数来评估系统的分辨率和像差，以及通过光学路径分析来评估系统的定位和稳定性。
6.进行光学系统的组装和调试。
一旦完成了光学系统的设计和分析，就可以进行物镜和准直镜的组装和调试。
这包括对镜片进行抛光和涂镀，以及对光学系统进行调整和校准，以使其达到预期的性能。
以上就是双胶合望远物镜的设计步骤。
双胶合望远物镜的设计是一个复杂和细致的过程，需要充分考虑观测需求和目标，并进行仔细的光学系统分析和优化。
通过合理地设计和调整，双胶合望远物镜可以在天文观测和地球观测中发挥出更好的性能，提供更清晰和准确的图像和数据。
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性?望远物镜的光学特性有以下两点：1.1相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D; f物）和目镜（D"目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径D和出瞳距离l z 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径D—般为4mm左右，出瞳距离l z一般要求20mm左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距f目一般不能小于25mm，这样目镜的相对孔径为D电1f目25 6所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2视场较小I望远镜的视放大率为tanW，目前常用目镜的视场2w'大多在70以下，tan w这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8的望远镜，可得物镜视场2w为10。
通常望远物镜的视场不大于10。
像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差L m，轴向色差L FC和边缘孔径的正弦差SC m。
而不校正X s，X p和y Z以及垂轴色差y Fc。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的L m，L FC，SC m常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F （486.13nm）和C（656.28nm）校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率：3.7 ；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：2w 10 ;物镜焦距：f物 = 85mm;棱镜折射率：n=1.5163（K9）;棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。
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。
工程光学课程设计报告班级：姓名：学号：成绩：指导教师：报告日期：南通大学课程设计论文目录摘要 (i)第一章绪论 (1)1.1课程设计题目 (1)1.2 设计要求 (1)第二章望远物镜的设计与相关参数 (2)2.1 望远物镜的主要参数 (2)2.2 望远物镜结构类型 (3)2.3 物镜的光学特性 (5)2.3 卡塞格林光学系统 (5)2.4 ZEMAX中的像质评价方法 (6)第三章设计与优化 (10)3.1设计过程 (10)3.2优化过程 (14)第四章运用Solid works对镜片进行绘制 (19)第五章新得与体会 (23)主要参考文献 (24)摘要由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量PW与透镜折射率n、孔径半径r、厚度d等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径r、厚度d、形状系数Q、曲率p。
用光学设计软件ZEMAX对所求的结构参数进行了优化。
光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。
所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。
大体可以分为两个阶段。
第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。
第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。
这一阶段的设计成为“相差设计”，一般简称光学设计。
评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。
一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。
第一章绪论1.1课程设计题目基于卡塞格林的望远物镜设计1.2 设计要求（1）入瞳直径：D=20mm；（2）相对孔径D/f’=1/6.15;（3）视场角2ω=7°；（4）在可见光波段设计（取d、F、C三种色光。
卡塞格林望远物镜设计报告1. 引言卡塞格林望远物镜是一种常用于天文观测的光学系统。
本报告旨在介绍卡塞格林望远物镜的设计原理和关键参数，并给出一个实际设计案例。
2. 设计原理卡塞格林望远物镜是一种反射式望远镜，其基本原理是通过反射光学，将被观测的光线从主镜反射至副镜，再通过副镜反射至焦平面。
主要由主镜和副镜组成。
- 主镜：是卡塞格林望远物镜的核心元件，一般采用抛物面形状，其作用是将光线反射至副镜。
- 副镜：位于主镜焦点处，用于反射光线至焦平面。
副镜一般采用凹球面或椭球面形状。
3. 关键参数卡塞格林望远物镜的性能与以下关键参数密切相关：- 主镜直径：直径越大，光收集能力越强，分辨率越高。
- 主镜焦距：焦距决定物镜的放大倍数和视场大小。
- 副镜曲率半径：副镜曲率半径与主镜焦距、视场大小等参数相互关联。
- 副镜直径：副镜直径要足够大，以保证充分接收主镜反射的光线。
4. 设计案例我们以设计口径为200mm的卡塞格林望远物镜为例进行设计。
4.1 主镜设计根据经验公式，我们选择主镜直径为200mm，焦距为1000mm。
接着，我们根据主镜直径和焦距计算主镜的曲率半径。
根据抛物面公式，我们得到主镜曲率半径为2000mm。
进一步，我们可以绘制光线追迹图，校验主镜的设计是否能将光线反射到副镜。
4.2 副镜设计根据主镜焦距和视场要求，我们选择副镜焦距为200mm。
根据凹球面公式，我们可以计算出副镜的曲率半径为400mm。
我们还需要确定副镜直径，保证副镜能够接收到主镜反射的光线。
根据实际经验，我们可以将副镜直径设定为主镜直径的一半，即100mm。
4.3 光学系统检查在设计完成后，我们需要对整个卡塞格林望远物镜的光学系统进行检查。
可以通过光路追迹和MTF（调制传递函数）等方法，评估物镜的成像能力、分辨率、畸变等性能指标。
5. 结论本报告介绍了卡塞格林望远物镜的设计原理和关键参数，并给出了一个实际的设计案例。
卡塞格林望远物镜以其紧凑、高分辨率的特点，在天文观测领域得到了广泛应用。
设计双胶合望远物镜设计性实验一、实验目的掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真，理解各种光学设计的基本分析原理，了解像差的基本概念、意义。
二、实验内容1．设计要求：焦距：f’＝250 mm通光孔径：D＝35 mm视场角：2ω＝6°，工作中心波长为在可见光波段，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚度为150 mm，要求：δL’m＝0.1 5mm，SC’m、＝－0.003，ΔL’FC＝0.05 mm2．给出设计结果，并对设计结果进行分析和评价。
三．实验1.总体思路和基本方法与其他光学自动设计软件相似，Zemax软件进行光学系统设计时的基本流程如图1-1其中，光学系统模型的建立是光学系统设计的第一步。
其中各个参数的取值可以采用标准的PW算法，同时也可以通过查阅光学设计的镜头手册来选择一组合理的初始化数据。
在Zemax中，光学系统建模分为两个方面：系统特性参数的输入和初始结构的输入。
Zemax软件同时还具有非常强大的像质分析功能。
可以在主窗口中的Analysis下拉菜单中选择相应的像质评价工具。
一些常用的分析功能也能通过工具栏中的图标按钮来快速选择。
使用者可以通过对这些图形和文本窗口提供的菜单命令进行操作，设置需显示或计算的内容。
Zemax中的分析窗口都具有“Update(刷新）”菜单命令，当系统特性参数或结构参数改变时，可以通过刷新命令使Zemax重新计算并重新显示当前窗口中的数据。
Zemax的优化功能可以根据设定的一系列目标值去自动改变光学系统的曲率﹑厚度﹑玻璃﹑二次曲面系数及其他附加参数和多重结构数据等，以满足光学系统的光学特性和像差的要求。
在优化过程中，使用者可以根据需要，对系统设定约束条件和目标。
Zemax通过构造评价函数（Merit function)，并采用一定的算法计算评价函数的取值，由取值的大小判断实际系统是否满足约束条件及目标的要求。
2.初始结构的选择Surf:Type Radius Thickness Glass Semi-Diameter OBJ Standard Infinity Infinity InfinitySTO Standard 153.10000 6.0000000 K9 20.0692362 Standard -112.93000 4.0000000 ZF1 20.0391343 Standard -361.6800 50.000000 20.0633294 Standard Infinity 150.00000 K9 18.6284755 Standard Infinity Infinity M 15.818629IMA Standard Infinity 13.2204113.优化函数的确立及Zemax实现（一）建立光学系统的模型（1）初始结构的输入；其中因为没有告诉后工作距，将厚度设为Marginal Ray Height（边缘光线高度）（2）系统特性参数的输入；（主要是对孔径﹑视场﹑波长进行设定）（二）像质评价(1) 焦距：（2）球差：Analysis—Miscellaneous—Longitudinal aberration—text所以可得δL’m=-0.06974mm；（3）正弦差：根据初级彗差和初级正弦差的关系SC’m= K’s/y’=-6.276404μm/13.154mm=-0.000477K’s:y’(4)轴向色差ΔL’FC一般指0.707h的轴向色差，可以由Chormatic Focal Shift 获得，即ΔL’FC= L’F-L’C设置Setting中的孔径：观察text：所以可得ΔL’FC= L’F-L’C=0.17395333-0.08541441=0.08853892mm（三）优化(1)像差控制：显然我们所得的像差与要求的像差数据有差距，所以必须要进行进一步的像差优化。
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'D f 物）和目镜（''D f 目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为4mm左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目一般不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为''41256D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2 视场较小望远镜的视放大率为'tan tan w wΓ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70︒以下，这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8⨯的望远镜，可得物镜视场2w 为10︒。
通常望远物镜的视场不大于10︒。
像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'm L δ，轴向色差'FC L ∆和边缘孔径的正弦差'm SC 。
而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ∆。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的'm L δ，'FC L ∆，'m SC 常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大
在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜
的相对孔径（'D f 物）和目镜（''
D f 目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径
主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为4mm
左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目一般
不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为
''
41
256
D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2 视场较小
望远镜的视放大率为'
tan tan w w
Γ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70︒以下，
这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8⨯的望远镜，可得物镜视场2w 为10︒。
通常望远物镜的视场不大于10︒。
像差特性：
由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'm L δ，轴向色差'FC L ∆和边缘孔径
的正弦差'm SC 。
而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ∆。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，
也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的'm L δ，'FC L ∆，'m SC 常常不是校正到零，
而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：
视放大率：3.7⨯；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：210
w=︒；物镜焦距：'=85
f mm
物
；棱镜折射率：n=1.5163(K9)；棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。
为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差
为：
'
m
δL=0.1mm，'0.001
m
SC=-，'0.05
FC
L mm
∆=
要求：（1）计算棱镜的初级像差（2）双胶合物镜的初级像差求解（3）利用ZEMAX自动设计程序进行优化设计
解答：
棱镜入射光束的相关参数：
''tan tan w D w D Γ==得入瞳直径D=15mm ；'2150.088170D u f ===物
''tan 85*tan(5)7.44y f w ==︒=物；tan(5)0.087z u =-︒=-；0.99z
u u
⎛⎫
=- ⎪⎝⎭
'''0.655J nu y ==；
棱镜本身参数为：d=31mm ，n=1.5163，v=64.1 （1）棱镜的初级像差：
球差：2431n S du n I -=-；慧差：z
u
S S u
I ⎛⎫= ⎪⎝⎭Ⅱ；像散：2
z u S S u ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
ⅢⅠ；场曲：0S =Ⅳ畸变：3
z u S S u ⎛⎫
= ⎪⎝⎭ⅤⅠ；轴向色差：22
1C d n S u v n -=-Ⅰ；垂轴色差：z
C C u
S S u
⎛⎫= ⎪⎝⎭
ⅡⅠ 对于望远镜系统来说，计算球差、慧差和轴向色差：
2431n S du n I -=-=-0.00069； z
u S S u
I ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
Ⅱ=0.00068； 22
1C d n S u v n -=-Ⅰ=-0.00084 （2）双胶合物镜的初级像差求解：
根据整个系统的要求，求出系统的像差和数
S Ⅰ，S Ⅱ，C S
Ⅰ：
''2'2
22(0.088)0.10.00159nu L S δ=-=-⨯⨯=-Ⅰ
'''''''22()0.00131s nu K nu S SC y =-=-=Ⅱ ''2'0.00039C
FC n S u L =-∆=-Ⅰ 以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求得双胶合物镜的像差为：
0.00159(0.00069)0.0009S =---=-Ⅰ
0.001310.000680.00063
S =-=Ⅱ
0.00039(0.00084)0.00045
C S =---=Ⅰ
（2.1）下面初级像差方程求P ，W ，C
7.5*0.0009hp p S ===-Ⅰ，P=-0.00012
0.00063
z h P JW S =-=Ⅱ，W=-0.00737
20.00045C h C S ==Ⅰ，0.000008C =
由P ，W ，C 求,,P
W C ∞∞ ()
3
3
0.00012=-0.1760.088
p
P h ϕ-=
=
()
2
2
W
0.00737W =-0.9520.088
h ϕ-=
=
'C C 0.000008*85=0.00068f ==物
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：
=-0.176P P ∞=，W =W -0.952∞=，C 0.00068=
()
2
0P =-0.85W -0.15
-1.208P ∞∞=
（2.2）根据0P 和C 选玻璃，得到：
10K ：n D =1.5181，v =58.9
1
ZF ：n D =1.6475，v =33.9
C 0.00068=，0P =-1.208，0 5.10Q =- （2.3）求透镜组半径
1212212121,1
111111,C v C C v v v v v v ϕ
ϕϕϕϕ=+=⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=--=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭∑ 所以
12121111110.0006833.958.933.92.302
C v v v ϕ⎛
⎫⎛⎫
=-
- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
⎛
⎫⎛⎫=-- ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭=, 211 1.302ϕϕ=-=-
结构参数：00.150.9520.15
5.10
6.1421.67 1.67
W Q Q ∞---=-
=--=-
由上面的结果求半径：
12
1
2.302 6.142
3.84Q r ϕ=+=-=- 111211 2.302 3.840.6031 1.51811
r n r ϕ=+=-=-- 232211 1.302
3.84 1.8291 1.64751
r r n ϕ-=-=--=--- 上面的半径对应于焦距为1，将它们乘以焦距'=85f mm 物，
最后求得半径为：
123140.96,22.14,46.47r r r ==-=-
（2.4）透镜厚度的选择：124,2d d == 双胶合物镜的全部参数为：
123140.96,22.14,46.47r r r ==-=- 124,2d d ==
K10，ZF1
（3）ZEMAX 得到的初始结构为如下：焦距为92mm
将焦距设为85mm ，优化后的结果为：
优化后结果比较理想，但含有少量的球差和慧差。
3. 设计一个摄远物镜，其光学性能须满足以下要求：
''2501:72 1.5f mm D f w ︒
=== 解：摄远物镜的特点就是系统的焦距大于系统长度，系统的相对孔径受到前组相对孔径的限制。
结构参数如下：
4.设计一个两镜式反射式物镜，焦距500mm,相对孔径1:5,半视场角1°，中心遮拦30%。
解：取主镜口径100mm,焦距200mm,相对孔径为1:2，则次镜的相对孔径为1:2.5，系统遮光比0.3，主镜与次镜之间的间隔d=140mm。
次镜半径为-200mm。
设计的结构如下：
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