光学系统设计报告.docx
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光学系统设计报告
《光学课程设计报告》
姓名：
郑宇婷
学号：
U201114912
学院：
光学与电子信息学院
专业：
光信息科学与技术
年段班级：
1104班
成绩：
授课教师：
张学明
2013年4月9日
一光学课程设计任务
1、课程意义
（1）综合运用课程的基本理论知识，进一步培养理论联系实际的能力和独立工作的能力。
（2）初步掌握简单的、典型的、与新型系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、相差曲线绘制、相差优化，光学零件技术要求等。
（3）巩固和消化课程中所学的知识，初步了解新型光学系统的特点，为学习专业课与进行毕业设计打下好的基础。
（4）培养一种对待工作严谨的态度。
2、设计题目
双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：
1、望远镜的放大率Γ＝6倍；
2、物镜的相对孔径D/f′＝1：
4（D为入瞳直径，D＝30mm）；
3、望远镜的视场角2ω＝8°；
4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；
5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。
6、lz′>8～10mm
二物镜外形尺寸计算
1、优化前的初始结构+计算过程
3、相差容限的计算
（1）所需校正的像差
望远镜的特点是：
相对孔径小，视场角不大。
结构较为简单，要校正的像差比较少，一般主要校正球差、轴向色差以与正弦差。
（2）像差容限
①球差容限：
边光的球差容限：
1倍焦深内
带光的球差容限：
6倍焦深内
②轴向色差的容限：
1倍焦深内
③正弦差的容限：
0.0025——0.00025之间
三、目镜外形尺寸的计算
1、未优化前初始结构+计算过程
3、目镜像差容限计算
（1）所需校正的像差
目镜的特点是：
焦距短、视场角大、相对孔径小，且入和出瞳都离透镜有一定距离。
因此，目镜的轴外像差一般比较大，必须校正。
一般来说，目镜所需校正的像差主要有:
像散、垂轴色差、彗差、场曲、畸变等。
（2）目镜像差容限
2、经过TCOS矫正（并标准化）的物镜的初始数据与计算结果
初始数据：
面序号
半径
厚度
玻璃
STO
58.8800
4.055
1
2
30.9000
2.992
F2
3
-364.800
54.080
K3
4
0.000
33.110
1
5
0.000
3.000
K9
6
0.000
33.110
1
7
0.000
15.704
K9
计算结果：
高斯参数：
有效焦距（f'）后截距（L'）前截距（L）像距（l'）
120.1350115.70397-120.4419815.70397
入瞳距离（lz）出瞳距离（lz'）近轴像高（y'）放大率（?
）
0.00000-104.124768.400660.00000
入瞳直径（D）出瞳直径（D'）拉赫不变量（J）像方孔径角（U'）
30.0000029.92351-0.314670.12486
像差：
***零视场像差***
1H0.85H0.707H0.5H0.3H0H
球差δL'-0.0343-0.0873-0.0918-0.0619-0.02570.0000
弥散园δLR'-0.0043-0.0093-0.0081-0.0039-0.00100.0000
F光球差δLF'0.0812-0.0105-0.0435-0.0434-0.0251-0.0090
C光球差δLC-0.0035-0.0427-0.03700.00350.04610.0753
轴向色差ΔLFC'0.08470.0322-0.0065-0.0469-0.0712-0.0844
***D光各视场像差***
相对视场Lz1Lz2Yz'Xt'Xs'Xts'
10.0000-104.0573-8.3961-0.8437-0.4207-0.4230
.850.0000-104.0760-7.1377-0.6109-0.3044-0.3065
.70710.0000-104.0910-5.9385-0.4235-0.2109-0.2126
.50.0000-104.1079-4.1998-0.2122-0.1056-0.1066
.30.0000-104.1188-2.5201-0.0765-0.0380-0.0384
δYz'δYz'FδYz'CΔyFC'ΔyT'ΔyS'
10.00460.0190-0.00150.0205-0.0181-0.0347
.850.00280.0151-0.00240.0174-0.0226-0.0346
.70710.00160.0118-0.00270.0145-0.0262-0.0345
.50.00060.0078-0.00250.0103-0.0302-0.0344
.30.00010.0045-0.00170.0062-0.0328-0.0343
KT'1.0HKT'.7HKT'.3HKS'1.0HKS'.707HKS'.3H
1-0.0597-0.0233-0.0034-0.0159-0.0068-0.0011
.85-0.0505-0.0197-0.0029-0.0136-0.0058-0.0009
.7071-0.0418-0.0163-0.0024-0.0113-0.0049-0.0008
.5-0.0294-0.0115-0.0017-0.0080-0.0035-0.0006
.3-0.0176-0.0069-0.0010-0.0048-0.0021-0.0003
***高级像差***
δL'snδLT'yKT'snhKT'sny
-0.074600.016210.006550.00041
Xt'snXs'snδLFC'ΔyFC'sn
-0.00162-0.000540.169090.00000
***垂轴像差***
☆没有考虑实际渐晕系数（即认为渐晕系数都为1）
-------子午垂轴像差（δYt'）（像面位移：
0）
1.0H0.85H0.7071H0.5H0.3H0H
1-0.16897-0.13680-0.10651-0.06737-0.036310.00000
.85-0.13060-0.10602-0.08206-0.05101-0.026920.00000
.7071-0.09857-0.08055-0.06196-0.03767-0.019320.00000
.5-0.05996-0.05028-0.03837-0.02224-0.010630.00000
.3-0.03135-0.02847-0.02175-0.01170-0.004850.00000
0-0.00431-0.00931-0.00813-0.00388-0.000960.00000
-1.0H-0.85H-0.7071H-0.5H-0.3H-0H
10.049470.061640.059870.046700.029410.00000
.850.029580.042480.042630.033530.021090.00000
.70710.014900.027930.029320.023210.014490.00000
.50.001080.013260.015400.012070.007230.00000
.3-0.003860.006320.008010.005610.002820.00000
00.004310.009310.008130.003880.000960.00000
-------子午光线对弥散圆直径
±1.0H±0.85H±0.7071H±0.5H±0.3H±0H
10.218440.198430.166380.114070.065720.00000
.850.160170.148500.124690.084540.048000.00000
.70710.113480.108480.091280.060880.033810.00000
.50.061040.063540.053760.034310.017860.00000
.30.027490.034790.029760.017310.007660.00000
00.008620.018620.016260.007750.001930.00000
-------弧矢垂轴像差分量（δYs'δYs'）
1.0H0.85H0.7071H0.5H0.3H
1-0.01594-0.05746-0.01058-0.05445-0.00685-0.04563-0.00318-0.03033-0.00109-0.01681
.85-0.01358-0.04272-0.00902-0.04194-0.00584-0.03523-0.00271-0.02299-0.00093-0.01241
.7071-0.01131-0.03090-0.00752-0.03189-0.00487-0.02689-0.00226-0.01711-0.00078-0.00889
.5-0.00802-0.01761-0.00533-0.02061-0.00345-0.01751-0.00160-0.01049-0.00055-0.00493
.3-0.00482-0.00910-0.00320-0.01338-0.00208-0.01151-0.00096-0.00626-0.00033-0.00239
00.00000-0.004310.00000-0.009310.00000-0.008130.00000-0.003880.00000-0.00096
2、经过TCOS矫正（并标准化）的目镜的初始数据与计算结果
初始数据：
面序号
半径
厚度
玻璃
STO
57.6800
1.500
1
2
15.5240
4.500
ZF3
3
-17.9890
18.000
ZK3
4
11.4550
4.500
1
5
0.000
3.404
K9
计算结果：
高斯参数：
有效焦距（f'）后截距（L'）前截距（L）像距（l'）
19.671883.397710.032493.39771
入瞳距离（lz）出瞳距离（lz'）近轴像高（y'）放大率（?
）
-10.0000041.970698.249110.00000
入瞳直径（D）出瞳直径（D'）拉赫不变量（J）像方孔径角（U'）
5.00000-9.80409-0.314500.12708
像差：
***零视场像差***
1H0.85H0.707H0.5H0.3H0H
球差δL'-0.3315-0.2379-0.1637-0.0814-0.02920.0000
弥散园δLR'-0.0422-0.0257-0.0147-0.0052-0.00110.0000
F光球差δLF'-0.3324-0.2395-0.1658-0.0840-0.0322-0.0032
C光球差δLC-0.3209-0.2271-0.1528-0.0703-0.01800.0112
轴向色差ΔLFC'-0.0116-0.0124-0.0130-0.0137-0.0142-0.0144
***D光各视场像差***
相对视场Lz1Lz2Yz'Xt'Xs'Xts'
1-10.000012.0888-8.6758-0.0045-1.59521.5907
.85-10.000020.8600-7.04161.0383-0.71351.7518
.7071-10.000026.4296-5.78930.7462-0.43811.1843
.5-10.000033.3747-4.09320.3539-0.20570.5596
.3-10.000038.6185-2.46630.1211-0.07270.1937
δYz'δYz'FδYz'CΔyFC'δLT'δLS'
1-0.4267-0.3759-0.45140.0755-0.1397-0.3982
.85-0.0299-0.0075-0.04240.0349-0.2330-0.3606
.70710.04370.06380.03310.0306-0.2857-0.3466
.50.03130.04690.02340.0235-0.3169-0.3373
.30.00840.01840.00350.0149-0.3275-0.3333
KT'1.0HKT'.7HKT'.3HKS'1.0HKS'.707HKS'.3H
10.08750.05040.01020.03820.01890.0034
.850.03110.01640.00310.01630.00780.0014
.70710.02590.01300.00240.01170.00560.0010
.50.01940.00950.00170.00760.00360.0006
.30.01210.00590.00100.00440.00210.0004
***高级像差***
δL'snδLT'yKT'snhKT'sny
0.002020.191730.00664-0.03600
Xt'snXs'snδLFC'ΔyFC'sn
0.748430.359490.00286-0.02275
***垂轴像差***
☆没有考虑实际渐晕系数（即认为渐晕系数都为1）
-------子午垂轴像差（δYt'）（像面位移：
0）
1.0H0.85H0.7071H0.5H0.3H0H
10.054870.048770.039130.022880.009090.00000
.850.140560.124640.106520.076720.045860.00000
.70710.084550.077670.068030.050190.030380.00000
.50.024050.027450.027170.022200.014080.00000
.3-0.01404-0.003650.002250.005490.004550.00000
0-0.04217-0.02572-0.01472-0.00517-0.001110.00000
-1.0H-0.85H-0.7071H-0.5H-0.3H-0H
10.120130.087930.061650.031260.011320.00000
.85-0.07835-0.07828-0.07372-0.05995-0.039740.00000
.7071-0.03281-0.04010-0.04196-0.03713-0.025670.00000
.50.014740.00032-0.00810-0.01275-0.010700.00000
.30.038220.020880.009540.00033-0.002470.00000
00.042170.025720.014720.005170.001110.00000
-------子午光线对弥散圆直径
±1.0H±0.85H±0.7071H±0.5H±0.3H±0H
10.065270.039160.022520.008380.002230.00000
.850.218910.202920.180250.136680.085590.00000
.70710.117360.117770.109990.087320.056050.00000
.50.009310.027130.035270.034950.024780.00000
.30.052260.024530.007280.005160.007020.00000
00.084340.051430.029440.010340.002230.00000
-------弧矢垂轴像差分量（δYs'δZs'）
1.0H0.85H0.7071H0.5H0.3H
10.03820-0.257830.02743-0.208240.01888-0.166030.00939-0.111730.00337-0.06487
.850.01629-0.131260.01151-0.101240.00783-0.077390.00383-0.049360.00136-0.02757
.70710.01167-0.096950.00821-0.072210.00556-0.053340.00271-0.032430.00096-0.01745
.50.00759-0.068110.00533-0.047750.00360-0.033040.00175-0.018110.00062-0.00887
.30.00440-0.051390.00309-0.033550.00209-0.021230.00101-0.009770.00036-0.00387
00.00000-0.042170.00000-0.025720.00000-0.014720.00000-0.005170.00000-0.00111
四、物镜像差曲线：
球差曲线
轴向色差曲线
点列图
系统二维图
光学传递函数MTF
点列图能量分布曲线
五、目镜像差曲线
场曲曲线
畸变曲线
子午慧差曲线
弧矢慧差曲线
像散曲线
点列图
点列图能量分布曲线
光学传递函数MTF
系统二维图
六、光学零件制图（不会==）
七心得体会体会
我认为本次光学课程设计最纠结的地方莫过于计算物镜与目镜的初始结构。
在照着老师给的PPT一步一步计算物镜的时候遇到一些问题。
第一个就是在计算Q的时候P0大于P∞，而PPT上给的是根号。
我就理所当然的将P∞减去P0改成了P0减去P∞。
但后来上课听老师讲后得知这种情况应该将根号取零。
在跟着PPT一步步计算数据的时候发现很多数据的正负都与PPT所给的相反，以为是自己错了，但后来发现同学也遇到这种情况，在和同学讨论后了解到由于我们选的是冕牌在前，胶合物镜与PPT上都是反的。
第二个问题是在计算t1,t2的时候由于自己选取的双胶合物镜与PPT上所给的双胶合物镜结构相反，应该将PPT上计算t2的算式计算t1,将计算t1的算式计算t2。
计算目镜的时候由于有了计算物镜的经验所以就很快的计算出了原始数据。
通过计算初始结构数据我对上个学期所学的双胶合镜有了更加精确的认识并且也能更好的计算双胶合镜的各项参数。
在计算目镜时我还学会了目瞳反追的方法，并且对牛顿公式使用更加熟练。
在较像差的时候，也许是数据比较好的原因，所以物镜的初始数据在进行了一次自动优化之后球差就已经在容限之内了，但是轴向色差还不能做到对称。
于是在保存了初始数据的前提下又进行了一次自动优化，导致的直接结果就是轴向色差不但没有对称球差也已经超出容限了。
于是果断导入初始数据进手动调节。
手动修改数据像差的过程就是一个找规律的过程。
在尝试了修改很多地方后发现r2对轴向色差非常敏感。
在经过多次修改后在牺牲了一部分球差的前提下终于把轴向色差调到基本对称。
在较目镜像差的时候就没有那么幸运了，首先遇到的一个问题就是焦距不在要求的19.5-20.5之内。
这从同样也是直接手动优化，在修改了r1，r2，r3之后发现虽然焦距达到了要求但场曲达不到要求。
本来以为目镜系统的r4是不可以改的，后来同学告诉我说r4也可以改。
改动后发现r4对场曲和慧差特别敏感，并且改动r4基本不影响Kt’。
通过这次光学课程我学会了很多东西，将上学期学习的应用光学知识联系实际进行了一次有意义的实践。
在像差方面的理解也更加深刻。
像差完全消除是不可能的，只要保证相差在容限之内就可以了。
对于望远镜系统的各个部分的结构也更加了解，了解了望远镜的实际的光路。
总之这是一次很有意义的实践。
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