毕业论文设计基于zemax的光学系统设计报告内调焦望远物镜的设计.docx
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毕业论文设计基于zemax的光学系统设计报告内调焦望远物镜的设计
一、前言1
二、设计技术参数1
三、外形尺寸计算2
四、初始结构的选型和计算6
五、利用zemax优化及评价8
六、设计心得体会12
七、参考文献13
内调焦望远物镜的设计
一、前言
内调焦望远镜是一种具有多种用途、使用方便的光学检调仪器,它可以作为自准直仪和可调焦望远镜使用。
因此它广泛地应用于光学实验室、光学加工车间和光学装校车间作为检验和调校工具。
例如,作为内调焦望远镜使用时:
可以用来检验导轨、平面或直尺的“直线性”,基面之间的“垂直性”,平面之间的“平行性”以及不同直径孔径之间的“同轴性”;作为自准直仪使用时:
可检测平面间的角度,光学平行平板两表面的楔角以及观测星点等等。
内调焦是针对外调焦而言的,外调焦是指通过直接移动目镜或者物镜进行调焦,内调焦是指移动镜头组之间的一组镜片来调焦.内调焦广泛运用在某类结构的防水产品上,优点是密封性好一些,但是若设计不当视野会相对窄。
二、设计技术参数
技术条件如下:
相对孔径D/f’=1/6.58
合成焦距f’=250mm
物镜筒长L=165mm(薄透镜筒长)
物方半视场角w=-2°
三、外形尺寸计算
根据上图进行光路计算
式中,L,f’已知,当假设d0后便可由上述三式求得φ1、φ2、和l2’。
相应地,φ1、φ2可按下述二式求得
计算结果如表所示
d0/mm
25
50
75
82.5
100
125
150
165
f1’/mm
56.818
92.595
117.18
123.13
135.14
148.81
159.57
165
f2’/mm
-41.17
-67.65
-79.41
-80.10
-76.47
-58.82
-26.47
0
由上表知,当Q给定后,f1’随d0的增加而增加,-f2’开始随d的增加而增加,到L/2时随d0的增大而减小。
对于内调焦望远物镜而言,正透镜组焦距增大,就减少了物镜组的相对孔径,从而使物镜的结构可以取较简单的形式。
负透镜组焦距变短,调焦时较灵敏,但透镜组可移动范围△d缩小,随之d0的增大,后工作距离l’z下降,仪器最近工作距离变大
它的计算公式为:
实践计算表明,缩短系数Q增大,f1’,-f2’,lmin,l2’△d都随着增大,以同样考虑d0的原则考虑Q。
经过推算,大致确定选取d0=119.314mm,对应的f1’=146.370mm,f2’=-65.270mm。
四、初始结构的选型和计算
1.物镜初始结构参数的计算
为使物镜初级位置色差、初级球差、初级正弦差等于0。
求P0值:
因为物镜于外界空气接触,所以双胶合物镜去冕牌玻璃在前较为适宜,则
由光学仪器设计手册知选用K9和ZF2玻璃对,φ1=2.009404,A=2.443344,K=1.721672,
Q0=-4.284074,P0=0.038319,W0=-0.060990,
K9:
nD=1.5163nF=1.52169nC=1.5139v=64.1
ZF2:
nD=1.6725nF=1.68747nC=1.6666v=32.2
求透镜形状参数:
求各面规划曲率:
求薄透镜各面实际曲率半径:
薄透镜变换成厚透镜:
物镜通光口径:
DA=f’/6.58=250/6.58mm=38mm
查《实用光学技术手册》知用压圈法固定,所需余量为2.5mm。
得其直径为D=40.5mm
对凸透镜
取d1=7.95mm
对凹透镜:
一般可取d2=D/10=4.05mm
以致加工时不变形
由薄透镜追迹一条第一近轴光线,得各面u角:
1
2
3
l
-r
265.8003
-64.3478
510.3407
-189.182
l-r
*u
/r
(h1)19
90.5094
330.1482
0.0714822
-64.3478
699.5227
0.0372300
-189.182
i
*n/n’
0.2099332
1/1.5163
-0.3667525
1.5163/1.6725
-0.1376632
1.6725/1
i’
*r
/u’
0.1384510
90.5049
0.0714822
-0.3325004
-64.3478
0.0372300
-0.2302403
-189.182
0.1298079
l’-r
/r
175.2945
90.5094
574.6885
-64.3478
335.5520
-189.182
L’
265.8003
510.3407
146.3700
-d
0
0
l
265.8003
510.3407
Lu
/u’
L’
19
0.0714822
265.8003
18.99998
0.0372300
510.3407
18.99998
0.1298079
146.3700
相应第一近轴光线在后透镜各面高度为
而后透镜各面曲率半径可按下式算得:
2.调焦镜初始结构的计算
(1)求P0值:
考虑像差与物镜基本相同,此处只列出结果
(2)选取玻璃组合:
查《实用光学技术手册》表1.2-16得F2和LaK2玻璃组合比较合适
相应其玻璃折射率和阿贝常数如下:
(3)求薄透镜形状参数:
取Q=2.083958
(4)求薄透镜的规划曲率:
(5)求薄透镜的实际曲率
(6)薄透镜变厚透镜
计算厚度
对凸透镜
对凹透镜一般取
厚透镜半径优化在zemax设计优化中完成
五、利用zemax设计优化及评价
原始数据
Layout发现调焦镜第一面和第二面相交,适当加大距离。
对应的像差
望远目镜主要要求校正球差,慧差,轴向色差,确定焦距大小
其中对焦距的要求比较高,设置权值为3,其余权值为1
为保证凸透镜形态,将透镜的距离固定,将后几个面的半径设为变量,进行优化
优化的半径中第五面半径变化比较大,可能前面初始结构计算的时候有错误,优化之后
透镜形状没有改变
赛德尔系数
各种像差都变小了,且值都很小,说明优化的比较成功
像差曲线
最大尺度为200微米,符合要求。
弥散斑半径<10mm弥散斑像差曲线尺寸皆符合要求,优化成功。
六、设计心得体会
这是一个相对较简单的设计,只有两片厚透镜,六个光学面,所以采用了pw法计算。
在选题时,面对诸多题目,没有好高骛远,选择了一个自己能够大部分独立完成的题目,这样选择是想自己将上课学习的所讲内容巩固复习,又将上学期应用光学的知识熟悉了一遍。
所用时间在20小时左右,主要精力花费在外形尺寸和初始结构的计算上,认真地将pw法完完整整的做了一遍,期间花费了不少精力,上课时听老师讲并不太难,然而过了几周之后重新来看确实遇到了不少困难,查找了很多种计算的方法,自己做了一遍这个过程之后,大致有了一个初步的印象。
我建议将这门课的学时稍微增加一些,老师讲慢一点,这样下面不听课的人少,学的也清楚明白一些。
具体来看,调焦物镜变厚这一步计算结果并不能完全确定,所以在zemax优化时,主要将该物镜的三个半径设置为变量。
Zemax优化的过程中,优化函数考虑焦距,球差,慧差,轴向色差,前者权值为3,后者权值都为1,较好地保证了该调焦物镜初始的焦距为250mm,优化得到的赛德尔系数,弥散斑,像差曲线皆符合设计要求,光学基本结构也没有变化,优化的较为成功。
而优化的过程中,变量的选择在不断地尝试修改,才得到了最后的结果。
也收获了一些经验:
对于这种结构比较简单的光学系统,优化先保证形状,在进行优化。
这次下来也掌握了zemax的基本使用方法。
最后,这次设计提高了我的数学编辑的能力,学会了mathtype的使用,从而打出漂亮的公式,这也是一个收获。
七、参考文献
[1]张以谟. 应用光学[M]. 北京:
电子工业出版社,2008.08
[2]顾培森.应用光学例题与习题集[M].机械工业出版社2009.09
[3]王志斌.内调焦望远物镜的设计.燕山大学2007
[4]光学仪器设计手册(上).国防工业出版社1971
[5]ZEMAX中文使用手册.讯技光电科技(上海)有限公司
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