基于ZEMAX的宽视角准直器设计
摘要
至于光学测量，准直器的焦距越长，测量误差越小。但是，焦距越长，光学设计越困难。设计具有广视角的长焦距准直器具有较高的应用价值。本文设计了一种2000mm焦距，4度视场的准直器，波长范围为480nm〜750nm。这个准直器应用于照相机的分辨率检测系统。采用复消色差三片式结构，二次光谱校正。分析了光学系统的成像质量，给出了MTF曲线。
关键词：准直器，复消色差，长焦距，宽视野
- 引言
准直仪是光学实验和测量的重要仪器。它是无限共轭成像光学系统校正和成像检测的测量基础（Ji，2007，pp.36-40）。在相机分辨率检测系统中，准直器的目标是要求具有复消色差和平视场的图像，以获得高分辨率的成像质量，这使得设计更加困难。另外，由于其特点，目标的结构是复杂的（Zhou，2004，pp.589-592）。本文设计了相机分辨率检测系统中使用的准直器。
- 系统要求
相机检测系统将检测成像分辨率并评估成像质量。相机检测系统需要模拟相机拍摄的无穷远运动目标，并利用拍摄的图像来检测分辨率。无穷远运动目标模拟系统的一个重要元素是准直器。相机的成像分辨率可以通过目标分辨率，模拟飞行高度和相机的焦距进行估算。根据相关参数，对准直器的要求是焦距为2000mm，视角为4度，波长范围为480nm到750nm。
3. 结构设计
3.1设计的关键点
主要的设计难点包括二次光谱和场曲的校正。镜子的相关色散是为了消除二次光谱。然而，这些透镜的阿贝常数是不同的，这就限制了材料的选择。如果采用具有特殊相对部分色散的光学介质，则难以校正色差。由于材料的折射率和色散非常低，负透镜的折射率和色散也不高。因此，需要增加透镜来减小偏转角度，并且目标的结构非常复杂以实现复消色（Jerzy，2001）。
场曲是长焦距准直器的难点。当焦距很大时，尽管视场很小，但场曲仍然很严重。曲率范围取决于镜头的光焦度而不是镜头的形状。应该引入几个厚的弯月形透镜和负透镜来消除曲率。特别是曲率和复消色差的校正是矛盾的。 因此，应该考虑材料的选择和透镜的原始结构，使其曲率和复消色性达到最佳状态。
3.2 结构选择
有三种普通类型的复消色差结构，长焦型，Petzval型和三段型。 长焦型镜头有很大的空域，对于偏心敏感。Petzval型的透镜可以得到较小的二次光谱，但曲率较大。并且在图像表面之前插入负透镜以校正曲率。本文采用三片式结构，结构简单，易于装配（Xu，2005，pp.57-59）。
3.3 材料选择
二级谱公式是
其中，Delta;L#39;CDF是二次光谱像差，f#39;是透镜组的焦距，PCF和PCD是相对部分色散，v1和v2是这两种材料的阿贝常数。只有相对部分色散之间的差异很小的阿贝常数之间的材料是显着的可以纠正二次光谱。
该系统采用LAK11的镧冕玻璃，重火石ZF2和F2的火石玻璃，其参数如表1所示。从表1可以看出，F2的折射率与其他两个的折射率的差异是显著的，可以校正中心波长的球色差，使三次焦平面重合。材料LAK11和F2的相对部分色散值非常接近，它们的阿贝常数非常不同，这有利于校正二次光谱，并且它们可以作为双合透镜放置在前面。然而，广视角的镜头不易粘合，可以分开一个缝隙（Wu，2007，pp.34）
镜片布置的原理是，将具有低折射率和高阿贝常数的大焦度正透镜组置于前面，将具有高折射率和中等阿贝常数的负透镜组置于中间，并将具有高折射率和低阿贝常数的小聚焦能力的透镜组放置在最后（Thibault，2004，pp.122-133）。也就是说，LAK11的玻璃在前面，那么F2的玻璃在中间，ZF2的玻璃在最后。
焦距是指定为复消色差条件：
和
其中，phi;是光角度，v是阿贝常数，P是相关色散。
从光焦度方程的结果来看，负光焦度较大，不能平衡高阶像差。因此，负面群体应该分为两个镜头，前者需要更多的光焦度。
将弯月型厚透镜作为前一片引入到系统中以平衡像差。 弯曲负透镜可以将光弯曲到透镜单元方向，并且可以减小场曲。 这里，选择F5的玻璃作为厚的透镜材料。
准直器的结构如图1所示。
3.4 优化设计
ZEMAX软件是美国Focus Software公司开发的一款综合光学设计和仿真软件，广泛应用于光学设计。利用ZEMAX软件对焦功分配进行优化，得出最终的设计结果。表面数据如表2所示。从表2中，我们可以看到所选的玻璃及其直径。光路图如图2所示。
3.5 网格设计
标线位于准直器的焦平面内。 无限远的平行灯将通过准直器在焦平面上成像，而网格的图案就是无限远灯的图像。 特殊长度的标线设计用于同步相机和无限远运动目标模拟系统。 标线长度300mm，宽度24mm，符合JB / T 9238-1999标准。图案是重复的，有接缝的。
4. 准直器的成像质量评估
成像质量评估可以从图3，图4和图5中看出。
如图3所示，点图是由于像差而导致从一个点发出的许多光线不能聚焦在光学系统之后的焦点上。点图忽略了衍射效应（Zhang，2010，pp.32-35）。 在斑点图中，完整的曲线代表爱里斑，由物镜形成的混乱盘全部包含在爱里斑中，这意味着没有模糊成像。
球面色差如图4所示，二次光谱为0.1mm。 因此，焦深是：
由上述计算可知，二次光谱小于聚焦深度，满足了复消色要求。
光学系统的调制传递函数（MTF）曲线如图4所示。横轴和纵轴分别代表成像面的空间频率和光学系统的MTF。顶部曲线是衍射极限曲线。MTF曲线不能超过限制曲线。从图5中，MTF曲线非常接近极限。所以成像效果非常好。
5. 结论
本文根据系统的技术要求，设计了一种长焦距，宽视角的准直仪来测量相机的分辨率。 从成像质量分析图中可以看出，像差得到了校正，精度达到了要求。 设计方案是正确的，可以实施。
参考文献
[1]Jerzy Nowak amp; Jan Masajada. (2001). Apochromatic correction of hybrid lens. Proc. SPIE 4356, 381.doi:10.1117/12.417858, http://dx.doi.org/10.1117/12.417858.
[2]Ji, X, et al. (2007). Research and design on wide-view collimator. Optical Instruments, 29 (3), 36-40.
[3]Thibault, S. amp; Wang, M. (2004). Fast camera objective designs for spectrograph of Mont Megantique telescope. Proc. SPIE 5249, 122-133. doi:10.1117/12.513109, http://dx.doi.org/10.1117/12.513109.
[4]Wu, H. (2007). Design of Big Field of View Apochromatic Collimator Objective for the Resolution Power Testing of the Aero Camera. Changchun: Master Degree Dissertation of Changchun University of Science and Technology, 34.
[5]Xu, Y., Song, L. amp; Zheng. C. (2005). Design of Three-in-one Composite Achromatic Compensator. J. Applied Optics, 57-59.
[6]Zhang, H., Zhai, X. amp; Qu, Z. (2010). Design of Refractive Diffractive Hybrid Parallel Collimator System for Long Focal Objective Lens. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 33(1), 32-35.
[7]Zhong, P., Hu, Y. amp; Zhou, S. (2004). Design Method of Apochromatic System Based on S-L Chart. Acta Photomica Sinica, 589-592.
表1 所选镜片的参数
所选镜片的参数显示在表格中。
表2 来自ZEMAX的表面数据
图1 准直器结构
准直器由五片镜片组成。
图2 系统光学路径图
图3 准直器的散点图
不同波长的爱里斑显示在图中。
图4 球面色散曲线
图5 MTF曲线
用Shadow和Zemax建模红外光线束
Timothy May, AlanDuffy
关键词：同步红外线、显微光谱学、能谱显微、光线追踪
摘要：光线跟踪软件是设计和开发光束线路中的重要工具。它提供在镜中的布局坐标，光束形状和尺寸，焦点位置和表现估计。在建模光学反射的软件中，用Shadow和Zemax组合进行讨论。Shadow从它同步加速器弯曲磁体的准确模型中产生光源光线，以提供真实的光线分布。光路是从光源通过光学元件到最终图像被追踪。尽管Shadow可以做到对整个射线的跟踪，但它的图形和输出能力有限，而这正是Zemax的特性。由Shadow生成的光源和光学坐标可以被Zemax用来定位光学元件并发射光线来模拟实际的系统。为此提出了一种Zemax可以使用、在Shadow中产生的同步加速器源转换。
- 引言
光学追踪软件是一个在设计从电子储存环到实验样品进行分析光学器件的重要工具。光学器件形成一个“光束线”，且光的范围从硬性X光到红外线(IR)。为了提供红外光子的最宽带宽，使用反射镜光学器件和IR透射窗材料将来自存储环的超高真空环境的光耦合到研究人员使用的傅立叶变换红外光谱仪束线。环形光源的高亮度使其成为红外显微镜和超高分辨率远红外光谱的理想选择。处理同步辐射(SR)源独特特性的、与商业可用的软件包无关的软件已经开发出来，例如这些没有电子束源模型的CodeV，Oslo和Zemax。而例如Shadow，XOP和RAY这些程序，考虑了光子的能量和分布，并且可以模拟几何光纤的反射和折射。这个专门的软件可以生成各种SR源的射线分布和发射角度，但是偶极弯曲磁体主要用于IR工作（除了自由电子激光器）。
Synchrotron Radiation Workshop和其他软件包通过沿理想光学系统传播作为波前的电场矢量来模拟各种类型的SR源（弯曲磁体和插入装置）。这些方法利用振幅和相位的阵列来模拟衍射、干涉和偏振效应，但没有可用的几何射线。射线和波前方法通常在红外线束的分析和设计中结合。但是，专门的SR程序并不能为光学元件的位置提供良好的可视化，或允许数据输出到其他的软件包，如CAD中用于构建和测试光束线。具有SR光源的常规光线跟踪软件能够更好地分析光束足迹和更大的镜面轮廓的能力，并在2D和3D视图中显示，以及用CAD设计的在真空系统中的光束轮廓。大部分的SR光束线在真空紫外光或x射线区域工作，并且在掠入射角度使用专门的反射镜和组件，这与传统的光学系统有很大的不同。本文解释了将由长期使用的Shadow产生的SR源转换为商业软件包Zemax可以用于实现IR光束线设计的格式的过程。
- 方法
Shadow产生由电子束发射的一组光线。这些参数是沿加速器参数定义的电子轨道随机分布的，这些参数包括电子轨道的弯曲磁体半径，能量（GeV）和电子束晶格的特性，腰部和垂直和水平的发射角度。Shadow产生一个有光线位置和角度加上一些能量和丢失光线大的标志的文件。射线源自弯曲磁体内部的轨道部分，其长度由射束提取端口的弯曲半径和水平角度宽度确定。这通常是几十毫弧度，导致源长度数百毫米。这个源长度使得源的深度成为样本重新成像的一个因素。在商业软件中，由于其工具和更好的图形，在光线追踪中观察这种效果更容易。当电子在磁场中弯曲时，由于电子的临界能量相对于它的静止质量，光会向电子束发散，从而产生同步辐射。光子的发射角度取决于它的能量，高能量（keV）X射线的角度非常接近电子轨道的平面，随着光子能量的减小而增加，红外线(IR)达到几十毫弧度。由于角度取决
全文共9171字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12630]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
