工程光学课程设计(共18页)

1、PAGE 实 习 报 告 实习(shx)名称： 工程(gngchng)光学课程设计 院系名称(mngchng)： 电气与信息工程专业班级： 测控12-1 学生姓名： 张佳文 学 号： 20120461 指导教师： 李静 黑龙江工程学院教务处制2014 年 2 月实习名称实习时间2014年 12 月 22 日至 2014 年 12 月 31 日 共 2 周实习单位或实习地点实验楼528实习单位评语：（分散实习填）签字： 公章： 年 月 日指导教师评语： 成 绩指导教师签字：年 月 日工 程 光 学 课 程 设 计 任 务 书组内学生姓名张佳文人数1院系电气与信息工程专业测控技术与仪器班级、学号测

2、控12-120120461指导教师姓名李静职称讲师从事专业测控技术与仪器题目名称显微镜光学系统设计一、课程设计的目的、意义此课程设计的目的在于组织同学在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索，了解和掌握基本的科学研究方法和手段，课程设计用ZEMAX软件完成对显微镜物镜光学系统的设计。在此过程中，同学需要掌握应用ZEMAX软件设计光学系统与仿真分析的方法，包括括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析，掌握显微镜物镜光学系统的设计和开发步骤并完成课程设计报告。二、课程设计的主要内容、技术要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）内容：用ZEMAX完成显微镜物镜光学系统的

3、设计与仿真。要求：1、学习ZEMAX软件。 2、设计一个25显微镜物镜，要求所设计的系统成像清晰，显微物镜放大倍率为25，物方数值孔径NA=0.4，物高为1mm左右。 3、对所设计的光学系统进行ZEMAX软件仿真工作。优化分析计算建模三、课程设计完成后应提交的成果1、课程设计报告；2、日志。四、课程设计的工作进度安排1、课程设计动员，布置设计内容；（0.5天）2、查找资料，做好准备工作；（0.5天）3、题目的选择和比较；（1天）4、显微镜物镜光学系统的设计。（2天）5、显微镜物镜光系统的编辑。（2天）6、仿真光学系统图像并分析总结；（2天）7、整理资料完成设计报告的编写。（1天）8、课程设计答

4、辩及成绩评定。（1天）五、主要参考资料近代光学基础 谢建平编著 中国科学技术出版社，2003年现代光学技术及应用 华家宁编著 江苏科学技术出版社，2005年应用光学课程设计报告 朱亚东编著 天津大学出版社，2004年工程光学 郁道银编著 机械工业出版社，2005年光学设计 刘钧编著 北京航天大学版社，2001年六、备注评分标准和方法：1、设计过程40%、2、答辩过程50%、3、报告10%具体执行情况参见课程设计成绩考核办法。指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc266356603 1摘要(zhiyo) PAG

5、EREF _Toc266356603 h 1 HYPERLINK l _Toc266356604 2物镜(wjng)设计方案 PAGEREF _Toc266356604 h 2 HYPERLINK l _Toc266356605 3物镜(wjng)设计与相关参数 PAGEREF _Toc266356605 h 3 HYPERLINK l _Toc266356606 3.1物镜的数值孔径 PAGEREF _Toc266356606 h 3 HYPERLINK l _Toc266356607 3.2物镜的分辨率 PAGEREF _Toc266356607 h 3 HYPERLINK l _Toc2

6、66356608 3.3物镜的放大倍数 PAGEREF _Toc266356608 h 4 HYPERLINK l _Toc266356609 3.4物镜的鉴别能力 PAGEREF _Toc266356609 h 5 3. HYPERLINK l _Toc266356610 5设计要求参数确定 PAGEREF _Toc266356610 h 54 HYPERLINK l _Toc266356611 显微镜物镜光学系统仿真过程 PAGEREF _Toc266356611 h 6 HYPERLINK l _Toc266356612 4.1选择初始结构并设置参数 PAGEREF _Toc266356

7、612 h 6 HYPERLINK l _Toc266356613 4.2自动优化 PAGEREF _Toc266356613 h 6 HYPERLINK l _Toc266356614 4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 PAGEREF _Toc266356614 h 8 HYPERLINK l _Toc266356615 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 PAGEREF _Toc266356615 h 9 HYPERLINK l _Toc266356616 4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 PAGEREF _Toc266356616 h 9 HYPER

8、LINK l _Toc266356617 4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 PAGEREF _Toc266356617 h 10 4.7仿真参数分析11 HYPERLINK l _Toc266356618 5心得体会 PAGEREF _Toc266356618 h 13 HYPERLINK l _Toc266356619 6参考文献 PAGEREF _Toc266356619 h 141摘要(zhiyo) ZEMAX是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直

9、观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来，研发人员对软件不断开发和完善(wnshn)，每年都对软件进行更新，赋予ZEMAX更为强大的功能，因而被广泛用在透镜设计(shj)、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。 ZEMAX采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，ZEMAX以面作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，追迹速度很快。许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非

10、成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。这种模式下，ZEMAX以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计 HYPERLINK /view/561380.htm t /view/_blank 仿真软件，它将 HYPERLINK /view/2532233.htm t /view/_blank 实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报

11、表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统。 ZEMAX HYPERLINK /view/1715218.htm t /view/_blank 光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际 HYPERLINK /view/3842435.htm t /view/_blank 光

12、学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户 HYPERLINK /view/1715218.htm t /view/_blank 光学设计程界面中。而且工作界面简单，快捷，很方便的就能找到我们想哟实现的功能，ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。2物镜设计方案消色差物镜 (Achromatic) 是较常见的一种物镜，由若干组曲面半径不同的一正一负胶合

13、透镜组成，只能矫正 HYPERLINK /view/370106.htm t /_blank 光谱线中红光和蓝光的轴向 HYPERLINK /view/51881.htm t /_blank 色差。同时校正了轴上点 HYPERLINK /view/969692.htm t /_blank 球差和近轴点 HYPERLINK /view/1448860.htm t /_blank 慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且 HYPERLINK /view/177040.htm t /_blank 像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中

14、间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在 HYPERLINK /view/48663.htm t /_blank 光程中插入黄绿色 HYPERLINK /view/39642.htm t /_blank 滤光片。此类物镜结构简单，经济实用，常和福根 HYPERLINK /view/146270.htm t /_blank 目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。消色差通常由两个分离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6至30之间，数值孔径NA为0.2至0.6之间。由于显微物镜倍

15、率较高，相距远大于物距，显微物镜的设计通常采用逆光路方式，即把像方的量当做物方的量来处理。里斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的原则通常是使每个双胶合透镜产生的偏角相等或者是后组的偏角略大于前组。里斯特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜上。当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时，两个双胶合透镜的间隔大致和物镜的总焦距相等。第一个双胶合的焦距约为物镜焦距的二倍。第二个双胶合的焦距大致和物镜的总焦距相等。物镜的像差校正(jiozhng)方式采取两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差，也就是(jish)消色差物镜。其总设计图如下(rxi)：图2.1 25显微镜物镜设计方案图3物镜设计与相关参数3.1

16、物镜的数值孔径NA光学系统的数值孔径（NA）是一个 HYPERLINK /view/614935.htm t /_blank 无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。在 HYPERLINK /view/47271.htm t /_blank 光学的不同领域，数值孔径的精确定义略有不同。在 HYPERLINK /view/25112.htm t /_blank 光学显微镜领域，数值孔径描述了物镜收光锥角的大小，而后者决定了显微镜收光能力和空间分辨率；在 HYPERLINK /view/5190.htm t /_blank 光纤领域，数值孔径则描述了光进出光纤时的锥角大小。其大小由下式决

17、定：NA = n * sin ，其中 n 是被观察物体与物镜之间介质的折射率； 是物镜孔径角（2）的一半。物镜孔径角是指：物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。数值孔径是光纤的非常重要参数(cnsh)之一，它体现了光纤与光源之间的耦合效率。光源与光纤端面间存在空气隙，入射到光纤端面的光只有一部分能进入光纤，而进入光纤端面内的光也只有部分符合特定条件的光才能(cinng)在光纤中发生全内反射而传播。由图可知，只有从空气隙到光纤端面以入射角小于 入射的光线才能(cinng)传播。 实际上是个空间角，也就是说如果光从一个限制在2 的锥形区域中入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。3.2

18、物镜的分辨率分辨率是物镜能将两个物点清晰分辨的最大能力，用两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数1/d表示。物体通过光学仪器成像时，每一物点对应有一像点，但由于光的衍射，物点的像不再是几何点，而是不一定大小的衍射亮斑。靠近的两个物点分辨率所形成两个亮斑，如果互相重叠则使两个物点分辨率不清，从而限制了光学系统的分辨率。显然，像面上衍射图像亮斑半径愈大，系统的分辨率则越小。 瑞利（Rayleigh）提出一个推测（又称瑞利准则）：认为当A1衍射花样的第一极小值正好落在A2衍射花样的极大值时，A1、A2是可以分辨的，将此时定出的两物点距离A1、A2作为光学统的分辨极限。0称为极限分辨角。不言而喻，当0时

19、是完全可分辨的，0时是不可分辨的。由圆孔衍射理论得到：0=1.22 / D式中入射光波长；D入射光的最大允许孔径（透镜直径）。因为0很小，所以由图2-4得：d0=1.22S / D物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件的，即ndsinu=ndsinu式中n和n为物、象所在空间的折射率，成象总是在空气介质中，故n=1；u各u分别为光线在物、象空间共轭点上的孔径角；d和d分别为物点、象点中心斑的间距。考虑到显微镜中入射光并非都是平行光，有倾斜光线，对上式系数作适当的修正，所以式中nsinu就是物镜的数值孔径，因此，上式或者写：d=0.5/N.A因此表明：物镜的数值孔径愈大，入射光的波长(bchng

20、)愈短，则物镜的分辨能力愈高。在可见光中，观察时常用黄绿光（ 4400A），则可使分辨能力(nngl)提高25%左右。3.3物镜的放大(fngd)倍数 放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。光学显微镜放大： 目镜越短、倍数越大； 物镜越长、倍数越大。 例：放大倍数为100，指的是长度是1m的标本，放大后像的长度是100m，要是以 HYPERLINK /view/898.htm t /_blank 面积计算，则放大了10,000倍。显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。 3.4物镜的鉴别能力显微镜的鉴别能力主要决定于物镜。物镜的鉴别能力可

21、分为平面和垂直鉴别能力。物镜（objective lens） 物镜是决定光学显微镜基本性能及功能的最重要的光学单元。因此，为了满足各种需求和应用，我们研制出了有着最佳光学性能和功能（这对光学显微镜而言也是最重要的性能和功能）的物镜，推出了能满足不同使用目的多种物镜产品。基本上物镜是按照用途、观察方法、倍率、 HYPERLINK /view/651600.htm t /_blank 性能（像差校正）等进行分类。其中，按照 HYPERLINK /view/23487.htm t /_blank 像差校正来分类的是显微镜物镜特有的 HYPERLINK /view/8348989.htm t /_bl

22、ank 分类方法。 垂直鉴别率又称景深，定义为在固定相点的情况下，成象面沿轴向移动仍能保持图象清晰的范围。表征物镜对应位于不同平面上目的物细节能否清晰成象的一个性质，垂直鉴别率的大小由满意成象的平面的两个极限位置（位于聚焦平面之前和之后）间的距离来量度。如果人跟分辨(fnbin)能力为0.150.30mm，n为目的物所在介质的折射率，（N.A.)为物镜的数值孔径，M为显微镜的放大倍数，则垂直鉴别率h可由下式求出：h=n / (N.A.).M （0.150.30）mm由上式可知：如果要求较大的垂直鉴别率，最好选用数值孔径小的物镜(wjng)，或减少孔径光阑以缩小物镜的工作孔径，这样就不可避免降低

23、了显微镜的分辨能力。这两个矛盾因素，只能被具体情况决定取舍。3.5设计(shj)要求参数确定按照设计要求：物镜放大倍数为25，数值孔径NA=0.4，通过以上几个参数的计算，计算出理论上的数值并确定符合数值要求的镜片。初步确定第一个双胶合透镜的初始结构由ZF3与K9组合，第二个双胶合透镜的初始结构由ZF3与ZK9组合。求出双胶合透镜的初始结构之后，就可以进行光线追迹、相差计算和平衡了，如果的得到不满意的结果，可重新选择玻璃对，再重复上面的计算，达到设计要求，也可以采用自动设计程序作进一步校正，其结果可能会更好。4 显微镜物镜光学系统仿真过程4.1选择初始结构并设置参数显微镜物镜的初始结构选择如下

24、：在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为 0.05，物方数值孔径为0.25，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。此时该系统的结构、传函以及像差如图4-1所示。从MTF图和像差图可以看出该显微物镜的成像质量还不是很好，需要对其进行自动优化校正。 图4.1 优化前参数(cnsh)在用ZEMAX软件进行设计(shj)时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为 0.05，物方数值孔径为0.25，物高为27mm，物方半视场高度(god)为13.75mm。此时该系统的结构、传函以及像差如图4-1所示。从MTF图和像差图可以看出该显微物镜的成像质量还不是很

25、好，需要对其进行自动优化校正。 4.2自动优化 首先，建立自动优化函数。具体过程如下：选择Editors Merit Function，弹出 Merit Function Editor 对话框，在Type栏中输入EFFL，并将Target定为1， Weight值取1.0； 其次，选择Merit Function Editor对话框工具栏中的ToolsDefault Merit Function, 设置Optimization and Reference为RMSWavefrontCentroid；最后，选择opt按钮进行自动优化。 自动优化后，显微镜物镜结构的数据如下：图4.2 优化后参数经过自

26、动优化后的显微物镜的结构、传函以及像差如图4.3所示。此时，像方数值孔径NA=0.4433,传递函数接近于衍射极限，成像质量较好，基本上达到设计的要求。图4.3 自动(zdng)优化后各参数仿真图4.3 物镜(wjng)的光线像差(Ray Aberration)分析左边的图是显示 Y 或正切(zhngqi)方向的光线象差，右边的图是显示 X 或弧矢方向的光线象差。我们通过光线特性曲线来分析光线像差，以显示目镜坐标函数的光线像差。本次设计的物镜系统的光线特性曲线如图4.4所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。左边的图形中的“EY”是Y方向的像差，有时也叫做子

27、午的，或YZ面的。右图的“EX是X方向 的相差，有时也叫做弧矢的，或XZ面的。这个分析图表是以 0.500 microns 为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象(Defocus)。在此光学特性曲线可以看出，光线特性曲线在Y方向视场角度为0度时通过原点的倾斜不大，表示离焦现象不明显，光线特性曲线在X方向斜率越来越接近于零，表示离焦现象趋于消失，所以符合设计要求。图4.4 物镜(wjng)的光线特性曲线图4.4 物镜(wjng)的波像均方差(OPD)分析 与光线扇形图一样采用主光线(Chief ray)为参考光，显示光离开光瞳(Exit Pupil)后的光程差，而光线扇形图(Ra

28、y Fans Plot)一样也是显示光程差但其是显示光在 IMA 面上的光程差。在接近衍射极限的光学系统中，波像均方差(fn ch)是像质的敏感函数，要求照相物镜聚焦精确、像质好、必须对球差、慧差和像散进行校正，从而使得波像均方差在一定的允许范围内，一般要求物镜的波像均方差在0.05以下。此次设计的透镜波长为0.500 microns，图4.5所示为设计物镜的波像均方差数值图图4.5 物镜(wjng)的OPD图4.5 物镜(wjng)的光学传递函数(MTF)分析MTF表示(biosh)分析镜头的解像力跟反差再现能力 ,光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线性空间不变系统，因而可以用线性系统

29、理论来研究它的性能，把输入信息分解成各种空间频率分量，研究系统的空间频率传递特性即光学传递函数，它能全面反映光学系统的成像性质。横坐标代表镜头的成像范围，即从中央到边缘的范围。纵坐标代表了反差的特性，越接近1，反差越高。低频曲线10线对/mm，红色（佳能小白镜头为黑色粗线）代表了镜头的反差属性，曲线的值越接近1，越平直，说明镜头的发差越高，中心与边缘的成像越接近于一致，影像轮廓清晰，画面通透。高频曲线30线对/mm，绿色（小白镜头为黑色细线）代表了镜头的锐利度特性，曲线越高，越平直，说明了镜头越锐利，分辨率高，画面的细节丰富，中心与边缘的成像越接近于一致。实线与虚线的距离反映了镜头的像散特性，

30、距离越小，说明了镜头的像散越小。MTF曲线只能反映镜头的反差与锐利度的特性。从下图目镜MTF仿真图可以看出曲线很高，证明镜头敏锐度很好，虚线和实线很合拢，证明镜头焦外效果很好，曲线尾部很平，证明镜片成像水平从中心到边缘都很稳定，所以符合设计要求。图4.6 物镜(wjng)的MTF图由以上三个参数(cnsh)分析可知，所设计物镜基本符合本次设计的要求。4.6 物镜(wjng)的几何点列图(Stop Diagrams)分析 在 ZEMAX 众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能点列图(Stop Diagrams)也是一个相当常用的分析图表。点列图(Stop Diagrams)可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。下图为物镜的点列图，如下图4.7所示，下方的RMS Radius与GEO Radius，单位一般仍为 m。前者表示点列图弥散的实际几何半径。有时如仅有两根光线与像面交点散的厉害，而其他光线分布比较集中，即RMS Radius较小，而GEO Radius较大，仍认为像质比RMS Radius值较大时好一些。 过去在设计使用胶卷的照相物镜时，常用点列图进行像质评价，如果每一视场点列图的RMS Radius小于15 m，则可认为设计中的照相物