光学计算机辅助设计报告

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。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。

其它方法等。对于ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系统分配合适的公差等方面。

ZEMAX具有非常强大的像质评价功能。主窗口中的Analysis下拉菜单包含像差扇形图（fans）、点列图（spot diagram）、光学传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波面图（wavefront）等像质评价以及照度计算（Illumination）、成像分析（Image Analysis）等功能。一些常用的分析功能也可以通过工具栏中的图标按钮来快速选择，如Lay（二维系统结构图）、Spt（点列图）、Enc（包围圆能量）等。选择某一项功能后，相应的分析结果以直观的图形或文本窗口形式显示出来。

3）典型案例的像质评价结果；

设计一个校正球差的消色差双胶合镜，作为望远镜物镜。R=10 cm，c1=0.002957 cm-1，c2=-0.020184 cm-1，c3=-0.00771 cm-1。厚度t1=1.9 cm，t2=1.3 cm。玻璃选择：第一透镜选BaK1 （1.5725、57.55），第一透镜选BaSF2 （1.66446、35.83）。如图所示。

设计结果如图所示：

成像质量分析：

1、像场弯曲/畸变的计算：

左边的是场曲，右边的是畸变。场曲图的纵坐标是视场角，横坐标是像点偏离近轴像面的距离，T表示子午场曲，S表示弧矢场曲。畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比。如图所示该设计没有像散，在畸变图中表示理想像高。

2、纵向球差的计算：

球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。

3：垂轴像差的计算:

从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近轴像面，存在离焦。经过一个拐点向上的一段曲线说明还有欠校正。+-5,000um说明离焦平衡了球差。

4 点列图：

使用点列图，一要注意下方表格中的数值（RMS RADIUS：均方根半径值；GEO RADIUS：几何半径（最大半径）），值越小成像质量越好。二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，在此设计中有略微像散特征。

5 几何调制传递函数：

图中，曲线的斜率比较小，而且曲线比较高，表明成像质量比较好。

内容二：双胶合望远物镜设计：

内容要求：

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1.06μm ， 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 mm

2．给出设计结果，并对设计结果进行分析和评价。 初始结构的选择：

双胶合物镜能同时校正：m L 'δ(轴上像点全孔径的球差)，m SC '（慧差），FC L '?（色差）。 1.求h ，hz ，J ：

917

.01.13*07.0*1'''1.13)3tan(*250tan ''07.0'

'u 0h 5.172

z ====--=-===

===

y u n J w f y f h

D

h 。；因为光阑与物镜重合

2，计算平行玻璃板像差和数IC II I S S S ,, 玻璃板我选择K9，通过查表得到参数。

已知参数：

;

1.64;5163.1;150;

749.0;0524.0)3tan(;07.0===-=-=-==v n d u

u u u z

z 球差：;001342.014

3

2-=--=du n n S I 慧差：;001.0)(

==u

u S S z

I II 轴向色差:;00257.012

2

-=--=u vn n d S IC 3，计算双胶合物镜的____

_______,,C W P ∞∞ 先求系统的像差和数：IC II I S S S ,,

;00147.015.0*07.0*2'''222-=-=-=L u n S I δ

;

000245.005.0*07.0''';005502.0)''(''2'''22

2

-=-=?-==?-=-=FC IC S II L u n S y SC u n K u n S

002325.0S 004502.0000128.0IC ==-=∴+=II I S S S S S S ：有物棱物系统

（1）列初级像差方程求P,W,C ：

00000759

.0002325.000491.0004502.000000731

.0000128.02=?==-=?=-==?-==C C h S W JW P h S P hP S IC z II I

（2）由P,W,C 求____

_______,,C W P ∞∞：

;0018975.0';00.1)

(;0213.0)(;07.0'____

2

____3___=?=======f C C h W W h P P h f h

??? 根据____

0,C P 选玻璃：59

.0)15.01(85.00213.0)15.0(85.02

2

____

____

0-=--=--=∞∞W P P

通过图表选择玻璃：BaK1 , F2 29.50-=Q

;5.60;5302.1:11==v n BaK D ;9.36;6128.1:22==v n F D

4，求半径：(1)799.567

.115

.0129.567.115.0384

.11384.2)1

1/()1(___

0122

12___

1-=---=--

=-=-==--

=W Q Q v v v C ???

(2)

1565.10128

.0384.1415.3111081.11

11415.3799.5384.21

22232

11112

-=+-=--==+-=-=-=+=n r r r n r Q r ???

(3) ;17.216;2.73;27.231321-=-==r r r

5，确定透镜厚度：

透镜厚度除了和球面半径和透镜直径有关外，同时要考虑到透镜的固定方法，质量和加工难易等因素。我们取4,621==d d 。 至此，物镜系统的全部结构参数如下： R d glass 231.27 6 BaK1 -73.2 4 F2 -216.17 50

0 150 K9

在进行系统优化设计，对于双胶合透镜，选择前三个半径作为自变量。建立

评价函数，EFFL 在Target 项中输入250，在Weight 项中输入1。

LAY 2D图：

系统光学特性参数：

通过数据我们可以看出，系统的焦距是250.0074，这与要求的250非常接近，系统的像差也不大，系统的图形非常正常。这说明利用初级像差方程式来求解双胶合透镜是非常有效的，所求解的结构参数与理想的状态相差不大，利用这个初始结构来进行优化会很容易的达到最优的状态。

光线扇面图：未优化前

优化后：

从光线扇面图看到优化后坐标原点附近的曲线斜率为0，表明像面正好是近轴像面，没有离焦。图中显示横向像差也比较小，纵坐标范围从±500um下降到±200um说明了球差已经达到了一个小的范围。

光程差图：

图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。很好地平衡了像差，光程差为±10WA VES。

轴外细光束像差曲线：

场曲图的纵坐标是视场角，横坐标是像点偏离近轴像面的距离，T表示子午场曲，S表示弧矢场曲。畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比。同色的T和S间的距离表示像散的大小，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。

点列图：

优化前：

优化后：

RMS点尺寸是径向尺寸的均方根。先把每条光线和参考点之间的距离的平

方，求出所有光线的平均值，然后去平方根。点列图RMS尺寸取决于每一根光线，因而它给出光线扩散的粗略概念。

GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。艾利圆环的半径是1.22乘以主波长乘以系统的F#，它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。对于均匀照射的环形入瞳，这是艾利圆环的第一个暗环的半径。

MTF函数：

图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）MTF曲线，T和S分别表示子午和弧矢方向，最上方黑色的曲线是衍射极限。横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是1。曲线越高，表明成像质量越好。

心得体会：

在为期一个星期的学习当中，我在老师的指导下初步掌握了zemax软件的使用方法和光学设计的基本步骤，但是只能说是光学设计的入门初学者。在这里我印象比较深刻的是对于光学系统像质的评价，通过zemax软件的分析功能可以对几何像差，轴向像差，光学传递函数和点列图等像质评价参数进行系统，直观的评价，但是对于如何进行细致准确的评价还是掌握的不太到位需要继续学习，但是相比较于手工计算参数评价的方法，通过zemax 等软件的评价的确从经济性，时效性，准确性来说都是有很大的提高。

在做内容二的时候有一下几个问题使我产生了兴趣，第一就是对于棱镜的玻璃选择的问题，第二就是如何对薄透镜系统的初级像差进行计算从而得到需要设计的双胶合望远镜的参数。这两个问题困扰我很久，通过上网查资料，去图书馆找参考书，以及与同学的交流探讨和老师的指导，才让我渐渐的对这两个问题有了一丝的理解。在这里感谢老师和同学。

对于这个设计课程我想提出一点建议，希望老师能具体的说说如何进行像质的评价，例如我们设计了一个望远镜，通过zemax软件所具有的分析功能得出图像，参数等等，然而这些特性参数如何去判断是否已经使得所设计的望远镜达到一个最优的状态，这个问题对我来说很是困难。

最后谢谢学校开设了这门课程让我初步探究了光学设计的奥妙，也谢谢老师的帮助与指导。