ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (МГТУ МИРЭА)

Курсовой проект

По курсу САПР

Выполнила студентка

гр. ЭО-1-09

Костяева Мария

Проверил доцент

Кретушев А. В.

Москва, 2011 г.

Содержание

Часть 1. Проектирование одинарной линзы	3
Часть 2. Проектирование одинарной линзы и сравнение ее со сдвоенной линзой	16
Часть 3. Проектирование строенной линзы и сравнение ее со сдвоенной и одинарной линзами	23
Часть 4. Анализ изменения кривизны поля изображения, хроматических аберраций и дисторсии в системах одной, двух и трех линз	32
Часть 5. Проектирование телескопа Ньютона	43

Часть 1. Проектирование одинарной линзы.

Задание: спроектировать одинарную линзу для видимого диапазона длин волн с заданным фокусным расстоянием F = 800 мм и апертурой – 80 мм, провести дефокусировку и оптимизацию системы, толщина линзы – 8 мм, радиусы кривизны: R1 = 2000 мм, R2 = 1500 мм.

Рис 1.1 Схема хода лучей через линзу.

Выведем на экран график лучевых аберраций (Analysis->Fans->Ray Abberation) Рис 1.2.

Рис 1.2 График лучевых аберраций неоптимизированной оптической системы

Максимальные отклонения от плоскости изображения

R – 4253 мкм

G – 4429 мкм

B – 4988 мкм

График имеет характерный вид дефокусированной системы с линейными кривыми и большими отклонениями, измеряемыми единицами миллиметров. Теперь выведем на экран график для определения оптической разности хода Рис 1.3 (Analysis->Fans->Optical Path).

Рис 1.3 Распределение оптической разницы хода до оптимизации

Максимальная оптическая разность хода:

R – 156,2λ

G – 182,3λ

B – 244,4λ

Оптическая разность хода очень сильно (сотни длин волн) меняется для разных длин волн с расстоянием от центра изображения.

После, выведем на экран диаграмму пятна рассеяния Рис 1.4 (Analysis->Spot Diagrams->Standard).

Рис 1.4 Диаграмма пятна рассеяния для системы одинарной линзы до оптимизации

Геометрический радиус пятна рассеяния (4950,48 мкм) на 2 порядка больше дифракционного предела – диаметра Эйри диска (12,96 мкм).

Устраняем дефокусировку линзы функцией Marginal Ray Height. Траектория лучей через линзу после устранения дефокусировки на Рис 1.5

Рис 1.5 Система после устранения дефокусировки

Рис 1.6 График лучевых аберраций после устранения дефокусировки

Максимальные отклонения от плоскости изображения

R –134,4 мкм

G – 762 мкм

B – 330,5 мкм

Аберрации уменьшились на порядок, до десятых долей миллиметра.

Рис 1.7 Распределение оптической разницы хода после устранения дефокусировки

Максимальная оптическая разность хода:

R – 1,053λ

G – 7,61λ

B – 33,43λ

Оптическая разность хода для длины волны λ = 0.486 мкм уменьшилась на порядок, а для остальных – на два порядка.

Рис 1.8 Диаграмма пятна рассеяния после устранения дефокусировки

Геометрический радиус пятна рассеяния после устранения дефокусировки уменьшился на порядок (765,988 мкм).

Затем оптимизируем систему с помощью System->Merit functions->Tools->Default Merit Functions->Reset->Ok. Выставляем в верхней строке Type: EFFL, далее вводим значения фокусного расстояния (Target) и единичный вес (Weight).

Рис 1.9 Система, состоящая из одной линзы, после автоматической оптимизации для заданного фокусного расстояния (F = 800 мм)

Рис 1.10 График лучевых аберраций после оптимизации

Максимальные отклонения от плоскости изображения

R – 279,3 мкм

G – 86,43 мкм

B – 341,8 мкм

После оптимизации лучевые аберрации для излучения с длинной волны λ = 0.656 мкм (красный свет) уменьшились вдвое, для λ = 0.588 мкм (зеленый свет) уменьшились на порядок, и для λ = 0.486 мкм (синий свет) не изменились.

Рис 1.11 Распределение оптической разницы хода после автоматической оптимизации

Максимальная оптическая разность хода:

R – 12,78 λ

G – 6,11 λ

B – 14,68 λ

Для длины волны λ = 0.656 мкм (красный свет) оптическая разность хода увеличилась на порядок, для λ = 0.588 мкм (зеленый свет) – не изменилась, для λ = 0.486 мкм (синий свет) – уменьшилась вдвое.

Рис 1.12 Диаграмма пятная рассеяния после оптимизации

Геометрический радиус пятна (339,560 мкм) после оптимизации системы уменьшился вдвое по сравнению с предыдущими данными.

После проведения оптимизации радиусы кривизны линзы стали R1 = 477,13 мм,

R2 = 3157,96 мм.

Информация о проекте:

File : C:\Zemax\SAMPLES\LENS.ZMX

Title:

Date : TUE SEP 13 2011

Lens units: Millimeters

Thickness : 792.097

Diameter : 79.7

Edge Thickness:

Y Edge Thick: 792.577

X Edge Thick: 792.577

Index of Refraction:

Glass:

# Wavelength Index

1 0.48613 1.0000000000

2 0.58756 1.0000000000

3 0.65627 1.0000000000

Surface Powers (as situated):

Surf 1 : 0.00093895

Surf 2 : 0.00031252

Power 1 2 : 0.0012499

EFL 1 2 : 800.05

F/# 1 2 : 10.001

Surface Powers (in air):

Surf 1 : 0.00093895

Surf 2 : 0.00031252

Power 1 2 : 0.0012499

EFL 1 2 : 800.05

F/# 1 2 : 10.001

Shape Factor: 0.50055

Вывод: спроектирована одинарная линза для видимого диапазона длин волн с заданным фокусным расстоянием F = 800 мм и апертурой – 80 мм, толщина линзы – 8 мм, радиусы кривизны: R1 = 2000 мм, R2 = 1500 мм.. Проведена дефокусировка и оптимизация системы. Проведен анализ качества системы: диаграммы аберраций, оптической разности хода и пятна рассеяния. На основе сравнения этих диаграмм после каждого шага оптимизации наблюдалось улучшение параметров системы.

После устранения дефокусировки лучевые аберрации уменьшились на порядок; оптическая разность хода для красной и зеленой длин волн уменьшилась на 2 порядка, а для синей – на порядок; геометрический радиус пятна рассеяния так же уменьшился на порядок.

После автоматической оптимизации системы лучевые аберрации по красной длине волны увеличились вдвое, по зеленой уменьшились на порядок, а для синей – почти не изменились. Оптическая разность хода при этом по красной длине волны увеличилась на порядок, для зеленой длины волны почти не изменились, а для синей – уменьшились вдвое. А геометрический радиус пятна рассеяния уменьшился вдвое. Данные приведены в таблице:

	Линза с F = 800 мм и R1 = 2000 мм, R2 = 1500 мм			Линза после устранения дефокусировки			Оптимизированная линза
	Лучевые аберрации, мкм	Оптическая разность хода, λ	Геометрический радиус пятна рассеяния, мкм	Лучевые аберрации, мкм	Оптическая разность хода, λ	Геометрический радиус пятна рассеяния, мкм	Лучевые аберрации, мкм	Оптическая разность хода, λ	Геометрический радиус пятна рассеяния, мкм
R	4253	156,2	4950,48	134,4	1,053	765,988	279,3	12,78	339,560
G	4429	182,3		762	7,61		86,43	6,11
B	4988	244,4		330,5	33,43		341,8	14,68