zemax实现对称式目镜设计课程设计

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40左右，广角目镜的视场在60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。

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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lz。 /f'3/4，视场大约为40。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：

12-d12

两者之比为：

1n12n20.7(12)0.7(d12)

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d120.7（1） 由以上公式可以看到，当

1，2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1，2一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42。，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。

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表1 初始参数

Surf: Type OBJ Standard STO Standard 2 Standard 3 Standard 4 Standard 5 Standard 6 Standard 7 Standard IMA Standard Radius Infinity Infinity 74.65 24.59 -30.60 30.60 -24.59 -74.65 Infinity Thickness Infinity 6 1.5 7.5 0.1 7.5 1.5 - Glass F3 K9 K9 F3 Semi-Diamester Infinity 1.5 7.217305 8.244848 10.252114 12.686914 12.826408 13.409861 16.213538 18.5 v 在工具栏里选择“生成焦距”项，输入所要设计的的目镜焦距30。，则系统自动将初始的结构进行缩放，缩放时所有的角量和相对量不变。得到的目镜二维图像如图3所示。

图2 目镜的二维图像

本次设计的目镜属于对称式目镜，在一定的出瞳距离和视场角的要求下，系统的像差增大，重点和难点也在于校正和平衡目镜的像差同时获得理想的传递函数MTF。像差

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平衡是一项通过反复修改结构参数以逐步逼近最佳效果的工作。计算机应用于光学设计后，先是取代了繁琐的光路计算，随后又用于像差的自动平衡。应用像差的自动平衡方法不仅大大加快了设计进程，而且显著提高了设计质量。最后需对设计结果进行评价，即认为像差已全面平衡和校正得到良好程度后，需对像质做全面评价，以确定设计结果是否达到要求。如果没有达到要求，则仍需做像差平衡工作；如果属于结构形式的局限或初始参数不合理，则应另选结构型式或另定初始参数，并重复前面的工作。对于不同的设计结果，应用不同的像质评价方法。

本次设计在人工调整阶段利用像差变化图进行光学系统的像差校正时，假定系统结构参数和像差之间符合线性关系（实际上，系统的结构参数和像差之间是非线性关系）。

在这一阶段，同时参加校正的像差数和自变量数都不能太多，在每次校正中选择几种重要的，对像质影响较大的参数进行校正。在调整阶段，主要遵循以下原则：

（1）入射角很大的一面弯向光缆，以使主光线的的偏角尽量小，从而减小轴外像差。 （2）选择对像差变化敏感、贡献量较大的曲面，改变其曲率半径，以调整该曲面对整个系统的影响。

（3）像差不可能完全校正到完美无缺的理想程度，最后的像差应有的合理的匹配。这主要是指轴上点的像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致。轴上点或近轴点的像差与轴外点的像差不要有太大的区别，使整个视场内的像质比较均匀，至少使0.7视场以内的像质比较均匀。为确保0.7视场内有较好的成像质量，必要时宁愿放弃全视场的像质（让它有较大的像差），因为0.7视场以外是成像区的非主要区，其像质可以适当降低。

（4）连续改变每个结构参数以计算出相差变化量，从中可分析各结构参数对各种像差影响的大小和方向，最后决定改变那几个结构参数，变多少，向哪个方向变，再计算出新的像差结果。多次重复前面的工作，直到整个系统达到设计要求为止。

（5）利用透镜自身或透镜处于特殊位置时的像差性质。例如，处于光阑位置或与光阑位置相接近的透镜或透镜组，主要用于改变球差和慧差；远离光阑位置的透镜组，主要用于改变像散、畸变和倍率色差。在像面或像面附近的场镜可矫正像面弯曲。

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初始结构的像差曲线为：

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由图像得出该系统的球差，慧差，像散和场曲及垂轴色差都比较小，所以不用调整。

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下图是初始结构的MTF曲线：

从图中可以看出，在空间频率为40lp/mm时，轴外的光学传递函数MTF不理想，所以要对系统的结构参数进行调整，以提高系统的传函值。

调整后的结构参数如下：

Surf: Type OBJ Standard STO Standard 2 Standard 3 Standard 4 Standard 5 Standard 6 Standard 7 Standard IMA Standard

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Radius Infinity Infinity 89.933393 29.624409 -36.864860 36.864860 -29.624409 89.933393- Infinity Thickness Infinity 6 1.807101 9.035505 0.120473 9.035505 1.807101 - Glass F3 K9 K9 F3 Semi-Diamester Infinity 1.5 7.159422 8.264754 12.351070 13.629025 14.068801 14.836225 18.937944 20 v 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书

调整后的二维图像如下：

调整后的像差曲线如下：

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调整后的MTF曲线如图：

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由以上图可以看出，虽然轴上的传递函数有明显的改善，可是该系统的球差，慧差，像散，场曲及色差都明显增大。再次经过人工调整，得到的参数如下：

Surf: Type Radius Thickness Glass Semi-Diamester OBJ Standard Infinity Infinity Infinity STO Standard Infinity 6 1.5 2 Standard 87.9 1.807101 F3 7.165863 3 Standard 32.1 9.035505 K9 8.222076 4 Standard -36 0.09 12.351070 5 Standard 36. 9.035505 K9 13.544945 6 Standard -32.1 1.807101 F3 14.020861 7 Standard -87.9 20 v 14.668772

IMA Standard Infinity - 18.527682

调整后的二维图像如下：

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调整后的像差曲线如图：

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从上面的图形可以看出，该系统的像差得到了较好的校正，相差之间达到了合理的匹配。

MTF曲线如下：

虽然较上次调整MTF曲线有所下降，考虑到要有较小的像差，二者结合可以得到较好的像质。

在保证技术指标及透镜和透镜结构工艺要求的前提下，对系统进行自动优化。优化结果如下：

Surf: Type OBJ Standard STO Standard 2 Standard 3 Standard 4 Standard 5 Standard 6 Standard 7 Standard IMA Standard

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Radius Infinity Infinity 87.9 32.1 -36 36. -32.1 Infinity Thickness Infinity 6 1.807101 9.035505 0.09 9.035505 1.807101 - Glass F3 K9 K9 F3 Semi-Diamester Infinity 1.5 7.165863 8.222076 12.351070 13.544945 14.020861 14.668772 18.304998 -87.9 19.275221 v 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书

优化后的二维图像如下：

修改半口径得到较好的二维图像：

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像差图像如下：

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MTF曲线如下：

由以上图可知：系统的像差有所增大，但传递函数有所提高。因为某些像差之间有一定的制约关系，所以像差之间如果能达到合理的匹配，整个系统才能得到较好的成像质量。

第四章 总结

通过这次课程设计，使我掌握了光学仪器设计的过程，学会了zemax软件的基本使用方法，了解了对称式目镜。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。我认识到光学仪器设计是一个需要十分的耐心和细心的工作，在像差平衡的时候，要不断地调整各个参数，达到很好的效果。在课程设计过程中，多和同学讨论，能够避免走很多弯路。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。认真，细心，才能取得好的效果。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

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参考文献

1.刘钧，高明编著，《光学设计》，2006，西安电子科技大学出版社，西安 2.《光学仪器设计手册》，1971，国防科技出版社，北京 3.光学设计软件ZEMAX

4.袁旭沧编著，《光学设计》，1988，。北京理工大学出版社 5.黄一帆，李林编著，2009，《光学设计教程》，北京理工大学出版社 6.李林，林家明，王平编著，2003，《工程光学》，北京理工大学出版社

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