光学课程设计--光学目镜的设计.docVIP

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： 分配元件的光焦度和间隔： 校正初级像差： 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。 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差，也称轴向色差 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