光学课程设计--光学目镜的设计

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1、目录第1章绪论………………………………………1第2章像差简介…………………………………3第3章对称式目镜设计…………………………5第4章利用ZEMAX软件优化………………11第5章设计心得体会…………………………16参考文献第1章绪论1.1光学设计简介随着科学技术的发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域，光学仪器的核心部分是光学系统。光学系统成像质量的好坏，决定着光学仪器整体质量的好坏。然而，一个高质量的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成，因此，光学设计是实现各种光学仪器的基础。光学设计所要完成的工作包括光

2、学系统设计和光学结构设计。光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求，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、和各光组的结构等。为光学仪器设计一个光学系统大体上可以分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总体的技术要求（性能指标、外形体积、重量以及有关技术要求），从仪器的总体（光学、机械、电路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图，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。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外形尺寸计算”。第二阶段是根据初步设计的结果，确定每个透镜组的

3、具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。评价一个光学系统设计的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面还要看系统的复杂程度。一个好的设计应该是在满足使用要求（光学性能、成像质量）的情况下，结构设计最简单的系统。1.2光学设计的设计步骤光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间隔，使系统的成像性能符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不记的程度，光学设计可以概括为以下几个步骤：选择系统的类型

4、：（1）分配元件的光焦度和间隔：（2）校正初级像差：（3）减少残余像差；以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个步骤，最终会找到一个满意的结果。第2章像差简介2.1球差自光轴上一点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度（或离光轴不同高度）的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想点有不同的偏差，这种偏差称之为球差，以其中代表一定孔径高光线的聚焦点的像距；为近轴像点的像距。2.2正弦差及慧差正弦差：对于轴外物点，主光线不是系统的对称轴，对称轴是通过物点和球心的辅助轴。由于

5、球差的影响，对称于主光线的同心光束，经光学系统后，它们不再相交于一点，在垂轴方向也不与主光线相交，即相对主光线失去对称性。正弦差即用来表示小视场时宽光束成像的不对称性。垂直于光轴平面内有两个相邻点，一个是轴上点，一个是靠近光轴的轴外点，其理想成像条件是上式即所谓正弦条件。当光学系统满足正弦条件时，若轴上点理想成像，则近轴物点也理想成像，即光学系统既无球差也无正弦差，这就是所谓的不晕成像。对于近轴物点，用宽光束成像时也不能成完整像，故只能要求其成像光束结构与轴上点成像的光束结构一致，也就是说，轴上点和近轴点有相同

6、的成像缺陷。欲满足上述要求，光学系统必须满足如下条件：这个条件称为等晕条件。它是光学系统轴上点成像有剩余球差时，近轴点或垂轴小面积成同质像的充要条件。满足等晕条件的成像成为等晕成像。式中，除是第二近轴光线计算的出瞳距（系统最后一面到出射光瞳的距离）以外，其他的量都是轴上点光线的量，为近轴区垂轴放大率。慧差：当光学系统不满足等晕条件时，近轴点成像光束的的对称性将被破坏，像方本应对称与主光线的各队子午光线的交点将不再位于主光线上。称这种不对称性像差为慧差。2.3像散像散：在整个失对称的光束中，子午面上的子午光束、弧

7、矢面上的弧矢光束，因为很细能各自会聚一点于主光线上，但子午细光束的会聚点(称子午像点)和弧矢细光束的会聚点(称弧矢像点)并不重合在一起，前者，子午像点比弧矢像点离开系统最后一面近；后者则相反。与这种现象相应的像差称为像散。对于宽光束，由于球差和慧差的影响，根本会聚不到一点。2.4畸变在实际的光学系统中，视场角较大或者很大时，像的放大率随市场而异，不再是常数。一对共轭物平面上的放大率不为常数时，将使像相对于物失去了相似性，这种使像变形的缺陷称为畸变。2.5色差描述轴上点用两种色光成像时成像位置差异的色差称为位置色

8、差，也称轴向色差第2章对称式目镜设计3.1对称式目镜简介对称式目镜是目前应用比较多的一种中等视场目镜，如下图所示，是由两个双胶合透镜组成的。为了加工方便，大多数对称式目镜采取两个透镜组完全相同的结构。由薄透镜系统的消色差条件知道，如果这两个透镜组分辨消色差，则整个系统可以同时消除轴向色差和垂轴色差。另外，这种目镜还能够校正慧差和像散，优点是结构更紧凑，场曲更小。对称式目镜的视场可以达到