课程设计--zemax实现对称式目镜设计.docVIP

第一章 引言 目镜是目视光学系统的重要组成部分。被视察的物体通过望远镜和显微物镜成像在目镜的物方焦平面处，经目镜系统放大后将其成像在无穷远处，供人眼观察。 从目镜的光学特性来讲，具有以下特点： （1）焦距短。一般目镜的焦距在15mm-30mm左右，和一般望远镜比起来，焦距短是它的一个特点。 （2）相对孔径比较小。由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在2mm-4mm左右变化，因此大多数实验室仪器出瞳直径一般在2mm左右，目镜焦距常用的范围为15mm-30mm，故目镜的相对孔径一般小于1/5. （3）视场角大。通常在左右，广角目镜的视场在左右。 （4）入瞳和出瞳远离透镜组 目镜设计原则：在设计目镜时，通常按反向光路计算像差，即假定物平面位于无限远，目镜对无限远目标成像，在目标的焦面上衡量系统的像差。至于目镜的光瞳位置，可以按两种方式给出。第一种方式是把实际系统的出瞳作为反向光路时目镜的入瞳，给出入瞳距离p，入瞳直径D等于系统要求的出瞳直径。在目镜像差校正的过程中，要求保证边缘视场的主光线通过正向光路时物镜的出瞳中心（即正向光路目镜的入瞳中心）。其他视场的主光线，由于存在光阑球差并不通过同一点，这样计算出来的像差和实际成像光束的像差虽完全不同，但一般较小，可以忽略。第二种方式是如果像差计算程序能够在给出实际光阑后自动求出入瞳位置，并用调整主光线位置的方法，保证不同视场的主光线通过实际光阑的中心。这样可以把正向光路时物镜的出瞳作为实际光阑给出，计算出来的像差和实际成像光是的情况符合。本设计采用第一种方法。 在望远镜和显微镜中，目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜。 对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场的目镜，本设计采用缩放法设计对称式目镜。 第二章 设计原理 2.1 对称式目镜 对称式目镜的结构如图1所示。 它由两个双胶合透镜组合而成，虽然目镜组的总厚度比较大，我们仍可以把它看作是一个薄透镜组来近似的分析像差的性质。由薄透镜系统的消色差条件知道，如果这两个胶合透镜分别消色差，则整个透镜组同时消除了轴向色差和垂轴色差。根据薄透镜组单色像差的性质，一个薄透镜可以校正两种象差，因此是能够校正目镜中需要矫正的象差和慧差的。 大多数对称式目镜采取两个透镜组完全相同，这样比较方便。 对称式目镜的特点是垂轴色差和轴向色差都能校正的较好，象散和慧差也可以达到很好的校正，出瞳距离较大，可以达到，视场大约为。 对称式目镜还有另一个优点，即场曲比较小。 对于两个分离薄透镜组构成的光学系统，它的总光焦度为： 两者之比为： 由以上公式可以看到，当，均为正时，两透镜之间的间隔d随之增加，则场曲随之增大。当，一个为正另一个为负时，则d增加，场曲减小，因此为了减小一个光学系统的场曲，应该使系统中正透镜尽量密接，而负透镜则和正透镜尽量远离。在对称式目镜中，两个正透镜密接在中间，两个负透镜在两侧，因此场曲比较小。 凯涅耳目镜，冉斯登目镜，惠更斯目镜也全部是由正透镜组成的，两个正透镜之间有较大的间隔，因此场曲比较大，它们对应的值如下列所示： 对称式目镜 =0.6 凯涅耳目镜 0.8 冉斯登目镜 1.0 惠更斯目镜 1.3 对称式目镜是中等视场的目镜中像质比较好的的一种，出瞳距离也较大，有利于缩小整个仪器的体积和重量，因此在一些中等倍率和出瞳距离要求较大的望远系统中使用的很多。 2.2缩放法 缩放法步骤： 1.物镜选型 2.缩放焦距 3.更换玻璃 （1）保持色差不变更换玻璃 （2）更换玻璃校正色差 4.估算高级像差 5.检查边界条件 第三章 设计过程及上机软件优化分析 已知技术要求为视场，焦距30mm，出瞳直径3mm，出瞳距离6mm。具体过程如下。 从相关资料中得到一种与设计要求较为接近的目镜结构。如果所选的目镜参数越接近所要设计的参数，则越容易校正和平衡像差，从而达到设计要求。将资料中的各项参数输入到计算程序相应的选项中，见表1。 Surf: Type Radius Thickness Glass Semi-Diamester OBJ Standard Infinity Infinity Infinity STO Standard Infinity 6 1.5 2 Standard 74.65 1.5 F3 7.217305 3 Standard 24.59 7.5 K9 8.244848 4 Standard -30.60 0.1 10.252114 5 Standard 30.60 7.5 K9 12.6869