二元光学 哈工大 报告

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1、Harbin Institute of Technology二元光学课程设计课程名称：二元光学设计题目：复消色差透镜设计 院系：电气学院设计者：XX学号：xxSOOlOxx指导教师：刘俭设计时间：20xx-05T2哈尔滨工业大学二元光学课程设计一.设计任务1. F/10, f=400mm2. 光谱范鬧：400-700,其中要求400,550,650nm复消色差3. CCD靶面尺寸为1/2英寸（6.4*4.8）4. MTF0.450lp/mm,MTF0.290lp/mm5. 至少使用一个二元光学元件表面6. 衍射面最小线宽不小于5um报告要求：1. 具有详细设计参数计算过程2. 像差分析报告中需

2、要针对（2）色焦移曲线（2）像差图（3）传递函数图（4）能量集中 度（5）点列图进行分析讨论，阐述使用二元光学元件的技术特点3. 与传统透镜设计的性能对比分析4. 设计结论5. 报告统一格式与封面二、设计过程法一：为了设计方便借鉴两片透镜消色差的方法，采用双胶合透镜，并且加一个二元光学面做 二级光谱色差消除，为加工方便二元光学面设计在最后一个平面上，如图1Figure 1记透镜面及二元光学面为1、2、3,记400,550,650nm光线分别为A、B、C光（450nm 的光线为得到更好的优化效果加的，不带入计算）根据题目要求，总得光焦度为：1 1!)=_=f 400系统的光焦度为:+2 +3 =

3、单个透镜= (n l)(cl c2) = (n l)c即：对A、C光进行消色差公式为:其中各个阿贝数为(nB1 一 1)Q+ (nB2 - l) +ivT+W+W = 0氏7.2代入上式化得(nAl 一 nCl)cl + (nA2 一 nC2)c2 一劈=0亿)对A、B、C消二阶光谱色差为：R + IoF & = 01 Vi 2 v2 3 v3各个部分的部分色散为:R 7 =叫匸吨2 p WC3 = O 4 亠 nA L2-nct2入A3入C3代入上式得:(nBl - nCl)Cl + (nB2 - nC2)C2 一 4 X 警=0从Zemax的Report中的Surface Data中可以查

4、出不同玻璃对各个波长的折射率:Index of Refraction:WavelengthIndex10.40000L.&30848S38220.S50001.518522387630.650001.514520308640.45000L.S253195029Index o f Re fraction:Gig： BK7Glass: F2 g Wavelength1 0.400002 0.55000Index6S21S474001.G235512293 0.650004 0.45000L.G1&4224G281.638810345联立.(2)、(3)可得cx = 0.00897204377764

5、3 c2 = -0.003512589386423 P3 = 0.000038438804252又因为R21R3- -1 -Rll 一R2- - 5C2其中R3=oo,所以(Rl = 183.2(R2 = -284.6将设计好的数据代入zemax,设透镜厚度都为30,设置好视场，F数，波长之后得到如图2结呆IFSlHEIMIHElPlFBPflEBIKfS* d 1T71:Pas：rau. jbmz cm GX3 rw 、厶2-. -Updf 卯 PH” Wndow T3 Z&crnIIuarc 9 CM4r R nlT11XSAid1 H D 冷&如 “*0.0W5UpdateJMr Mnd

6、SM T ZoomFigure 2可以看到，各个性能都不能满足要求，将两个面的曲率半径和透镜厚度都设为可变参数, 设优化操作数EFFL=400,其他默认，进行优化可得图3结果1 XXM i WM4 3 R uxr.X 1 3冷2. ui.v?d6tt/ 丄UpiM 3刃勺 Em WdR T 心 ZocnFigure 3很容易看到，系统的各个性能都有显著提高，为了进一步降低系统的色差，修改优化参 数，限定轴向色差，优化操作数为AXCL,将各个波长之间的轴向色差都限定在一个范围内 进行优化，优化结果如图4,可以看到系统的色差，光线差，波像差性能都有显著提高，但 是点列图范围稍稍变大。7：ro4lS

7、hHJ：FM MTf4RkTech W*rs MMfCtMepi|o”| 纭L 创 | 创Jc s ranFigure 471 卩好G wa* C4XM3 a 心r.9.4 詡 “ LVt 3，UpdateCMne 如4ov Te 2aotn以上方法是直接计算出各个透镜的曲率半径，由于zemax的强人功能，也可以直接让 其进行优化，例如：法二：直接将第一个面和第二个面曲率都设成1000,厚度都设成0,设厚度最人值为30.优 化函数如图5：&t Tools HelpOyer t7JKlavelHl,呂Zoae畑缺3* Ccatilb：2S2Z2SX2a0.MMM0.MMMa.CMMO1.CM&3

8、0S.n3ZK-4Q32 25CE25CE10O.MMMO.MMM0.0MM01.0MM03 3SCT3SCtw0O.MMMO.MMM0.0MM01.0MM02 -5Cr?-3M5&34 coacaa0：a.CMMOa.SMMOC.4JDSD7:.r*UTi5 AKCL20.3330.0MM0i.0330-5.eurz-53M0.02 SOMi AXCLAXClI3O.0.OMMO1.0MM0-).0OW2.&aa7 wnJAXCL34O.MMM0.0MM01.0MM0T.伍“閔0.419741a AXCLXXCL34O.OOMMC.CMMO3.CMM0P.8RSIC.42M&39 adAXC

9、LiLG.WWWO.OWW02.OWW000血56斂65S0io zmzm24M.0MM01.0MM04M.C5MUIKE1： 303ZKX312 3：3：Default a心fu&ctMC. 2222 vAvafsc&l csatxad 9； 3 txa.1-3 3U0：izxr.DefaaXt air tblcfciws bjrrftiv ccMUftlms.Figure 5点击进行优化，效果如图6：/ax a Fi*r.JBMZ CM oxas rw洌渤呵”r-勺Update Sb9c dtrt gndew T 2om讯宀ZI Uprft*doM 2oorn9Q L DitVo:如 y心

10、。恤I Updito tetirc EmTi Zoomi .一，亠亠忤yIitwrxcmx.一，亠亠忤HF盼&痂T 旧*c A Ct* 4 弟9燈帕若*押止wtxFigure 6么:MbX*c Arw 尺 70可以看到其效果跟计算出曲率半径的效果相差不多。为了得到更好的色差校正，一般意义上可以选用阿贝数相差较大的玻璃，例如把BK7 换成FK51,直接带进去优化效果如图7：gJ：rri mtfFo心2EMAX-ff U”e*2nc*t oAiriM 1 DitVo;如Eneigf竺 foaUpdiMmb Xmm a u mRt? EaBce上術怕X Oe如19“ M UMFigure 76H0可

11、以很明显的看到，除了色差有明显的优化外，其他的性能都有一定程度上的卞降，但 是仍能满足要求。法三：采用三胶合镜组，最后一个面为二元光学面，利用zemax进行优化，镜组参数见图8, 最后优化结果见图9。Lens Data EditorEdit Solves Options HdpSurf:TypaComanzRadiusThleknafifiGlaaSami-DLamacozC&JStAsaszaInfinityInfiniyInfinitySTOXStandard153.500000B.000000220.000000U-StzndszcL305.500000s.aooooaKZFS14&za

12、.oooaooUSt&ndazd9G.SOQOO030.000000rxsi20.000000U-Binary 2rnrinity363.9S67S3Kaa.oooaoou| IXAStaQ.zaInfinity-3.203261Figure 8Rie 9k*5am4$ Ieoh 代go代s Macrotwvoor Mepi；| LfnMTF2 31 JhftWD -dUKE X、H m”pn z：mUpdM Vtora l*re Wdav Ice loomuod“eZ too”0 *wmo* nxrt im x1IM E1111Figure 9可以很明显的看到，除了色焦移曲线有有一定的下降外

13、（但仍能满足要求），其他各个 方面的性能都有显著提高。色焦移范围为67.4um，光斑人小在10um 一下，光程差和光线 差也都比较小三、像差分析：如图6： 该设计的MTF曲线在50lp时人于0.55,90lp时人于03能够满足要求。 最大色焦移范围为97.87um,色焦移比较小 从光线差图（Ray Fun）可以看出来最人的光线差不超过15um,效果还是比较好 的。从波像差图（OPDfun）也可以看到，系统的光程差也控制的比较好，基本上 控制在土0.5个waves以下。 从点列图可以看出，光斑已经控制在30um的范I制内，并且光斑分布较均匀，但是 在波长较短的情况下会有一定的彗差。 从能量集中度

14、图中可以看出，能量集中度在10um内达到了 0.864,25um下达到了 0.955, 50um下达到了 0.986能量集中度还是比较高的。 二元光学面的最小线宽，根据公式：=入1 + （2巧2卩/2其中最短波长为X=400nm,数值孔径F=10,可以算出： Train = 8UII1Hr- Ok 幻，|%| UM 匹上丘1 U| U12+ = 0V为透镜的阿贝数透镜材料分别选择BK7和F2,查得BK7： Nd=1.5168, Vd二64.2673F2： Nd=1.612929, Vd=36.9645可以解得1= 0.005897,2 = 一0003397R1 R 171, R2 R -180代入zemax并进行优化，得到结果如图8,可以看出来，各方面的性质都没有加上二元 光学面的好。:卄T MTFl(ySIwlUMlT刚5加”UM g fw| K 3XQ24 OPFMW. 7* 呻 rri Wdaw T1 SoonFigure 10五、结论本文对给定设计要求，进行了透镜的计算和设计，并使用zemax进行优化，给出了三 种能够满足要求的设计结果。从设计的结果和对用二元光学元件复消色差设计与传统光学元 件消色差设计的对比中可以发现，二元光学元件对消除二级光谱色差有着良好的效果，并且 二元光学元件有着厚度小，重量轻等优良性质，是很多光学设计的优良选择。