zemax望远镜光学设计

实验三 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计

一．实验目的

学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。

二． 实验要求

1. 掌握设立反射镜、使坐标中断的方法； 2. 学会使用圆锥系数来优化成像质量；

3. 学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。

三． 实验原理

1. 牛顿望远镜基本结构：见理论课课本图6-10，抛物面主反射镜+与光轴成45度的平

面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜； 2. 对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系； 3. 圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描

述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：

Conic=0 球面； -1

4. ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：

（1） 定位置：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要

放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；

（2） 添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合

适的参数。

5. 鬼像与挡光板：

（1） 鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的

光学课程设计望远镜系统结构参数设

计

1

2020年4月19日

文档仅供参考

光学课程设计

——望远镜系统结构参数设计

一设计背景：在现在科学技术中，以典型精密仪器透镜、反射

2

2020年4月19日

文档仅供参考

镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。

如：天文、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等……

二设计目的及意义

（1）、熟悉光学系统的设计原理及方法；

（2）、综合应用所学的光学知识，对基本外形尺寸计算，主要考虑像质或相差；

（3）、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理，根据所学的光学知识（高斯公式、牛顿公式等）对望远镜的外型尺寸进行基本计算；

（4）、经过本次光学课程设计，认识和学习各种光学仪器（显微镜、潜望镜等）的基本测试步骤；

三设计任务

在运用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。并介绍光学设计中的PW法基本原理。同时对光学系统中存在的像差进行分析。

四望远镜的介绍

1．望远镜系统：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用经过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。又称“

《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指导

说明：

1、本指导将全面介绍带有普罗I型转像棱镜系统的望远镜设计过程以及计算，作为《应用光学》课程设计的实习范例。实验报告需在此基础上完善和修改，严禁全盘抄袭本指导，否则作0分处理！

2、本指导省略了理论分析部分，计算依据请参考有关资料。

设计题目和技术要求 题目：双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计） 要求：

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

如何开始呢？ 我们的工作将按照以下步骤进行：

1、系统外形尺寸的计算：根据需求确定像差，选型；

2、使用PW法进行初始结构的计算：确定系统的r、d、n； 3、像差的校正：通过修改r、d、n，调整像差至容限之内； 4、进行像质评价，总结数据图表，完成设计。

下面我们将根据以上步骤来示范本次设计 第一部分：外形尺寸计算

一、各类尺

《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指导

说明：

1、本指导将全面介绍带有普罗I型转像棱镜系统的望远镜设计过程以及计算，作为《应用光学》课程设计的实习范例。实验报告需在此基础上完善和修改，严禁全盘抄袭本指导，否则作0分处理！

2、本指导省略了理论分析部分，计算依据请参考有关资料。

设计题目和技术要求 题目：双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计） 要求：

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

如何开始呢？ 我们的工作将按照以下步骤进行：

1、系统外形尺寸的计算：根据需求确定像差，选型；

2、使用PW法进行初始结构的计算：确定系统的r、d、n； 3、像差的校正：通过修改r、d、n，调整像差至容限之内； 4、进行像质评价，总结数据图表，完成设计。

下面我们将根据以上步骤来示范本次设计 第一部分：外形尺寸计算

一、各类尺

实验一：单镜头设计(Singlet)

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length） 为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它

是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，

键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-

实验一：单镜头设计(Singlet)

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length） 为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它

是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，

键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-

无锡靓视丽眼镜

眼 镜 光 学

绪论 几何光学的基础 第一单元：基本概念 一、 光的基本性质

1

无锡靓视丽眼镜

1、 发光体和发光点

发光体：所有本身能发光的物体，称为发光体。如太阳、电灯。

发光点：不考虑发光体的大小时，可将其示为发光点或点光源，以下讨论的光源都为点光源。 2、 光波和光束

可见光，可见光之外两端为紫外线和红外线，为不可见光，是对眼的有害光线。其中紫外线分为UVA、UVB、UVC三段，UVC可被臭氧层吸收，UVB可晒黑皮肤、长期可损伤角膜，引发雪盲，UVA可伤及晶状体、引发日照性白内障。 3、 光线

发散光线，会聚光线，平行光线（画图示之） 二、 基本定律：（画图示之）

1、 光的直线传播定律：光在均匀透明的介质中是直线传播的。

2、 光的独立传播定律：光在均匀透明的介质中是独立传播的，互不干扰。

3、 反射定律：当光入射到两个均匀介质的分界面上，有一部分光要反射回原来的介质中，

入射角(a)=反射角(b)。 法线(c)：垂直于界面的线。

入射角(a)：入射光与法线的交角。反射角(b)：反射光与法线的交角。

4、 折射定律：当光线入射到两个均匀介质的分界面上，有一部分光线要透过分界面而折

射到另一个介质中。

光学设计——光学设计实例 中国科学院上海光学精密机械研究所 2008年10月

意图

通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论 及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步 运用。

介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计 实例通过ZEMAX来演示。

主要内容

光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算

(具体的应用实例——视情况而定)

ZEMAX简介

美国ZEMAX Development Corporation研发

ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光 学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析 和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个 直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容 易使用等优点。

ZEMAX 有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE, 有些功能只在EE版本中才具有。

ZEMAX 可以模拟序列性(Sequential)和非序列 性(non-sequential)系统，分别针对成像系统和 非成像系统。

光学设计过程

计算机的出现，极大地促进了光学设计进程； 大多数光学设计程序的本质如下：

每个变量发生少

从伽利略望远镜到哈勃太空望远镜

——人类对宇宙的认识史 一、望远镜发展简史

关于望远镜的发明，不同文献有不同的记载。例如，“13世纪，英国诺格尔·培根发现，用透镜组成的仪器可使遥远的物体看起来好像更近了”。“ 1590年，意大利有人制成了望远镜。”

荷兰光学家和眼镜制造者利伯休（1572—1640）的儿子在1608年的一天偶然发现，将两块镜片重叠并使其相隔一定远近观看时，可看见远处教堂屋顶原来几乎看不见的小鸟。他俩把两块镜片装在一个铜管的两头，发明了最初的望远镜。不过，也有文献认为他是得到了别人（可能是Z·扬岑）的帮助。

1608年10月，荷兰利伯休、马丢、詹森三人分别先后向政府申请发明望远镜的专利，但均被专利部门所拒绝，因为真正的发明人一直未能查明。

当望远镜从荷兰重新传入意大利时，引起了伽利略的研究。他发明了能测量镜片球面半径的球径计。这使他在与普通磨制镜片工人的竞争中处于优势，因为这一仪器可使每一望远镜元件按设计标准数字化。他从1609年7月初制成倍率为3的望远镜开始，于1609年11月制成倍率为20的望远镜，发现了月球表面的环形山。因此，伽利略是“天文望远镜”的发明者。1610年9月，他给开普勒的信中说他已将望远镜倍率

如何采购望远镜

说到望远镜，很多人就会问，某某望远镜能看多远？这个问题本身就是错误的，望远镜是没有距离限制的，人眼能看到的地方，望远镜都能看到，望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远处很小的目标按一定倍率放大，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变得清晰可辨。所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。了解望远镜首先从它最基本、最常见的技术参数开始。

1、放大倍数

一般用目镜视角与物镜入射角之比作为望远镜放大倍数的标示，但通常用物镜焦距与目镜焦距之比计算，表示景物被望远镜拉近的程度，一般7-10倍的是最适合手持望远镜，但在特殊领域，也有10-16倍的放大倍率。

2、视场角度

视场范围用1000米处望远镜可视景物范围标示，如113M/1000M，表示距观察者1000米处，望远镜可观察到113米范围的视场。放大倍率越大，视场就越小。

3、出瞳直径

出瞳直径又叫出瞳口径，是光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径。也是粗略描述成像亮度的参数。在弱光环境下，越大的出瞳直径，可以带来更清晰的图像。人类的瞳孔，在正常生理情况下，最大不会超过7mm，所以大于7mm的出瞳直径，无