惠更斯目镜分析与设计.docx

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1、惠更斯目镜分析与设计51310401471 胡芬第一章目镜的结构分析和像差分析31.1目镜的结构分析31.2目镜的像差和像差校正特点3第二章惠更斯目镜的介绍和设计特点4第三章惠更斯目镜的初始结构确定73.1惠更斯目镜初始结构的确定73.2光学软件设计步骤103.3初始结构像质评价113.4惠更斯目镜的结构优化13参考文献15第一章目镜的结构分析和像差分析1.1目镜的结构分析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。望远镜系统中为了保证整个的仪器

2、的尺寸以及一定的出瞳距 离，一般目镜的焦距在15mm-30mm左右；对于显微镜的的目镜来说，是放大率 一般在10倍左右，那目镜的焦距也在25mm左右。（2）相对孔径比较小。目镜的前置光学系统决定了通过目镜的光束尺寸、 形状和光路。同时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。视场角大是 目镜的一个最突出的特点。（4）入瞳和出瞳远离透镜组由于上述目镜的光学特性，决定了她的像差性质

3、和设计方法。1.2目镜的像差和像差校正特点（1）目镜的视场比较大，出瞳又原远离透镜组，轴外光束在透镜组上的透 射高较大，那入射角就会很大，不能当近轴光束，那轴外斜光束像差就会很大， 如彗差、像散、场曲、畸变、垂轴色差。为了校正所有这些像差，结构就会变得 很复杂。但是，像差校正一般都是结合目镜和前视系统一起校正，能获得较好的 结果。无需单独校正目镜到很完美的程度。（2）对于能校正的轴外像差的目镜，一般透镜数会偏多，这时的球差和轴 向色差一般不大，主要以校正影响成像清晰的像差为主，比如彗差、像散和垂轴 色差。畸变不影响成像清晰，一般不严格校正。（3）目镜一般不校正场曲，消场曲的条件是有相互远离的正

4、透镜和负透镜 组，光焦度符号相反，大小相近。（4）设计望远镜目镜时，在目镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下，进 一步考虑它们之间的像差补偿问题。一般的时候两者都分别有一定的像差，但整 个系统像差得到了很好校正，成像质量也得到提高。对于显微镜目镜，由于经常 要改变不同倍率的物镜和目镜一起使用，就不便谈像差补偿，一般都是独立校正 像差。（5）在设计目镜时，通常按反向光路进行设计。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

5、径。第二章惠更斯目镜的介绍和设计特点目镜中主要校正的单色像差是像散和彗差，在满足像差校正的情况下，当然 是希望结构越简单越好，那单个透镜是最简单的光学系统。根据对物平面在无限 远的单透镜的彗差、像散性质的讨论，单透镜能同时校正像散和彗差的情况有两 种。第一种是平凸型（叮=3），光阑位于透镜前方1/3焦距处，如下图1（a） 所示；另一种是弯月形透镜（=-3），光阑位于透镜后1/3.5焦距处，如图1 （b）所示。图1可以校正彗差和像散的单透镜结构图目镜的成像要求是把物方焦面上的物体成像在无限远，按照光路的可逆定 理，也可以看做是把无限远物体成像在像方焦面上，同时要求光瞳位于平行光束 中，并且远离透

6、镜组。显然只有图1 (a)的情况才能符合这一要求，因此单个平凸透镜就是可能 的最简单的目镜结构。但从整个系统来说，单个平凸透镜还不能工作，因为从物 镜进入系统的光束，如果直接投射到平凸透镜上，这时对应的出瞳距离不等于 1/3焦距，不满足像散和彗差为0的要求。为了满足这一要求，必须在焦面上加 入一个场镜，如图2所示。一般为了加工简单也做成平凸型。也就是说最简单的 目镜包括两个平凸型的透镜，一个为场镜，靠近物镜的像面位置；一个为接目镜， 靠近眼睛位置。图2 一般目镜的结构图根据第二色差和数的公式：S =Z hh c = hh 麦 + hh 麦Us1 z1 z1 V1 z2 V如果要使色差为零，必须

7、使上述公式中的两项异号。在目镜中由于入瞳和出瞳均 远离透镜组，因此hz1和h2z总是同号的，而接目镜和场镜的光焦度也均为正，因 此必须要使hz1和h异号，也就是接目镜和场镜分别位于实际像面的两侧，如下 图3所示，这就是所谓的惠更斯目镜。图3惠更斯目镜的结构图为了得到色差为0，那么焦距、f2和透镜距离d有什么关系?假定两个透镜采用相同的玻璃材料七=% = v ；同时假定入射主光线和光轴 平行，因为大多数仪器目镜的入射主光线和光轴的夹角比较小。根据与薄透镜系统中光路计算公式:h = h + dtgu = h + d (匕)=h (1 d)122 f2 f22hd h = h dtgw、= h d

8、1 = h (1 )11带入色差公式，也就是:d qd qS = h (1 )h 匕 + hh (1 )匕=0m 2 f Z1 v 2 Z1 f v化简后，解上式得:这就是两个正透镜构成的目镜，校正垂轴色差所必须满足的条件。场镜的放置方向，同样采取平面对着实际像面，如图3所示，同样场镜可以 产生正的像散，可以补偿目镜的场曲。惠更斯目镜可以同时校正像散、彗差和垂 轴色差，它的视场可以达到40。50。，相对出瞳距离lJ f牝1/4，由于实际像面 在两透镜的中间，惠更斯目镜不能安装分划镜，它一般用于观察显微镜。第三章惠更斯目镜的初始结构确定3.1惠更斯目镜初始结构的确定根据前面的讨论，如果要求惠更斯

9、目镜满足校正垂轴色差的条件，则产、f眼 场和d必须满足以下的条件。d = 场2目镜除了校正垂轴色差以外，还应满足校正像散和彗差的要求。接着导出同 时满足校正垂轴色差、像散和彗差时，三者之间应满足的条件。假定接目镜的焦距/眼=1mm，当满足消像散和彗差的条件时，z 1I =-方mm，如图4所示。z眼3由共轭点方程式：11 _ 1 l l fz眼z眼眼将1眼=-1/3； ,眼1代入得1眼=2。由图4可知：，. ， 1 1 =3，f- = -1 - + d = + dz场场 z眼2又因为f联合上式可以得到：3f艮，2,彳以上就是惠更斯透镜同时校正垂轴色差、像散和彗差的条件。根据组合系统焦距的公式：1

10、11-一dffff f目眼场眼场将f1,d 3/2, f2代入上式得:f4/3。这样就可以得到二者和口目镜总眼场目焦距的直接关系式：393f- f;d_ f;f- f眼 4目8目场 2目接下来就设计一个12的观察显微目镜，目镜焦距与倍率的关系为: 250250f20.8目12根据三者与目镜焦距的关系式，采用缩放法，可以得到:f3f, 320.815.6眼4目4d9f, 820.823.48目8f3f, 320.831.2眼2目2(1)确定接目镜的结构参数：15.6，透镜用K9玻璃，形状为平凸形， 则可以得到透镜的前后表面的半径：r1rf (n 1) 15.61.5163 1 8.06考虑到透镜

11、的通光孔径：D =P = L = 2.08 (取 2)r 12(取)透镜的厚度取：d = 2(2) 确定两透镜之间的间隔d2 :确认两透镜之间的间隔时，应保证目镜调节视度所必须的工作距离lF，为此我们首先求出视度调节量：Nf 25 X 20.82x =目= 2.163210001000要求目镜的工作距离大于视度调节量，根据前面确定的接眼镜的焦距，并考虑到工作距离的要求和场镜的厚度，取d 2 = 22mm。(3) 确定场镜的结构参数：场镜的作用是保证目镜的入瞳和出瞳位置。场 镜的前后表面的曲率半径为：r =83r = f (n -1) = 31.2(1.5163 -1) = 16.1d = 4那

12、么目镜初始结构的全部参数如表1所示：3.2光学软件设计步骤在确定惠更斯目镜的初始结构参数后，用zemax软件输入初始结构参数，如 图5所示。Surf zTirpeCcnnnsncRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinity2.S000002StandardInfinity2.0000003Standard-8.06000022.0000004StandardInfinity4.000000K95Standard-15.10000010.000000IMAStandardInfinity图5惠更斯目镜初始结构

13、图图像分析结果：初始的结构图如图6所示，结构基本满足设计结构要求，没有 出现设计结构的变形和不合理现象。初始结构图如图7所示，还没优化之前的像差很大，主要是球差、彗差、像散和场曲。SeidelAhe 1: rationCoefficients-SurfSFHA SICOMA S2ASTI S3FCUa S4DI ST S5CZA (CL)era (CT)STO0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000020.0000000.0000000.0000000.0000000.0007570.000000-0.00092930.03

14、62S2-0.001S990.0000990.001294-0.000073-0.0039950.00020940.000974-0.0004890.0002450.000000-0.000124-0.0005570.000280S-0.000015-0.000093-0.0005780.00064S0.0004310.0001180.000731IMA0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.000000TOT0.037241-0.0024B1-0.0002330.0019410.000991-0.0044350.000291Summ

15、ary:TOTW040 IIW131 II W222 I7.922712.1115I-0.19S2W220STOT0.72SSW220M0.S277W220TW220P0.S2590.5287像散W311W020Will球差彗差0.S4337-3.7739场曲主要的赛德尔像差系数W ave f r ent Abe rra/ti cn Cd efficient3.3初始结构像质评价1）点击工具栏中Ray图标，出现ray fan曲线图，如下:LENS HFI3 HD TITLE.SFIT JUN 21 2GLHr-inxiriun schle： i 0 r-acRQMS.C: Z01FKX5fll

16、TLESHUIEE NG5L 31XCONFIGURATION 1 QF 1ray fan 表示是光学系统的综合误差。它的横坐标是光学系统的入瞳标量，纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相 对数值。2）点击工具栏中fcd图标，出现轴外细光束像差曲线，如下:MILLIMETERSFIELD CURVATURE / DIETORTZDNLENS HFIS ND TITLE.SFIT JUN 21 20 IHr-iH：-：:inuri field zls 5.hdei degreesWfiVELENGTI-IS i 口 . 106S . 5560 655L: -.Z

17、BIRc. i 即 IFL& ,.HJDJEUJ&I. ZTI.c.NPICURPTIDN 1 匚11= 1左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，横坐标左图是场曲，右图是畸变的百分比值。综合所示，初始数据所示的光学系统像质不够好，畸变比较大。3）光学传递函数（MTF）分析，单击工具栏中的Mtf图标，出现光学系统的 调制传递函数图，如下：FaLYCHRariHTIC DIFFRACTIONMTFLEH5 HAS MD TITLE.SRT TUN 21 2QL H FITH FOR l. Hati 丁口 0 .6563 MZCFaNE .C iZB1FK EflrtztES，1.HJI

18、GEfCEJ. ZH；（ CONFIGURATION 1 OF 1图像分析：所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成 像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说明 该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。这是利用光学传递函数来评 价光学系统成像质量的主要方法。从理论上可以证明，像点的中心点亮度值等于 MTF曲线所围成的面积，曲线所围成的面积越大，表明光学系统所传递的信息量 越多，光学系统的成像质量越好，图像越清晰。因此在光学系统的接收器截止频 率范围内，利用MTF曲线所围成的面积的大小来评价光学系统的成像质量是非常 有效的。4）点击工具栏中Sp

19、t图标，出现spot diagram曲线图，如下:工日1己巨日riLSJ5 H旺 ND mLE.rJN 21 EBIH l_HOS FRE niEKD.FIELD:Z3m FHDDJ3 :L7SB,押17E6.77L7136.39C: r BIFKEHfFl EWHIGEMG3L INK CijNFrGURnTIDM 1 OF 1Eti RflODJE i 跆北而A 3323S35.7BSALE QW ii EWIE= Pfli1图像分析：在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像 后，由于像差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范 围内的弥散图形，称之为

20、点列图点列图下方给的数可以看出每个视场的 RMS RADIUS （均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大 半径），值越小成像质量越好。根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像 差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。对于点 列图图像而言，点阵集中程度越高，弥散半径越小，成像质量也就越高。就初始 数据点列图图像而言，点阵分散，成像质量不高。3.4惠更斯目镜的结构优化一般来说，透镜组的全部结构参数数可以作为优化变参量与优化，首先，通 过优化曲率半径的途径来提高像质，对优化结果进行像质评价。本文中对两透镜的后表面的曲率以及两透镜的距离进行了优

21、化。采用ZEMAX自动优化的方法：首先右击第3和第5个面的Radius和两透 镜的距离，选中Variable，点击Opt按钮，选中其中的Automatic，观察优化结 构，与初始数据像差分析图进行比较，如果，光学系统得到优化，则将该组曲率 半径固定，如果结果不尽如人意，则将保留原始数据。按照如此的思路，对本光 学系统中出现的曲率半径依次进行优化，最终得到曲率半径优化完成的参数，并对图像进行分析。得到的光学系统分析图如下:丁胴0泌E EFPF F1 PETLENS HAS ND TITLE.SFIT JUN N 20LHMnxinun 5匚file : iqq . dcc n icrcin .S

22、 . H 5。 D . 5aa 曰.C ； EBlFKURfFL ES-.HJ IGEbCSI. ZHK CUMFZGURFTIDN 1 OF L图8优化后的Ray fan曲线图PCLYCHRar-IRTZC DIFFRfiCTZLirJ MTF1LJ_山工 j_ L口mn 口 ciljLEMS HAS HD TITLE.SAT JUM 21 20 IHFTTFI FIR E, H36 TO , 6S63 MICRO NS.C! EB1F19=IH=LE扑HJEENML 2N：（DLiHPrCUPATZDH i uF 1图9优化后的MTF图LfiTl 13. B3B3 BEIJIGE fCSI

23、. 2N ：( CQNRIGURATIDN 1 != 1图10优化后的点列图经过对优化后图像的分析可知，光学系统的像差得到了一定的校正，优化后 的结果明显优于优化前的结果。优化后的惠更斯目镜的参数如图所示：uxf :Typ=Ccrz&exit-a.diu3Ih-icizessGJ巴三与 exd-EiterGBJS匚Mn日m rdIntiTiltyInT mltySTCS t-e.ndi=xdInj.nj.-ty2.0DOODO2.00000D2SInfinity2.0DOODOMS3Scscideiid-S.SODOOD234DOODO2.34153B4Gs&zidjzdInfinity4-ODOODOS93.00LE04EiS Emn-dii xd-it.saocan10 .3 t 47QOS=iLEAS t-e.ndi=xdInElixit v.402597图11优化后的惠更斯目镜参数参考文献1光学仪器设计手册，1971，国防科技出版社，北京光学设计软件ZEMAX3 光学仪器设计手册.北京：国防科技出版社，19714 张以谟.应用光学.北京：机械工业出版社，19825 光学设计一一光学设计实例.中国科学院上海光学精密机械研究所