工程光学课程设计报告

工程光学课程设计设计名称：工程光学课程设计院系名称：电气与信息工程学院专业班级：学生XX：学号：指导教师：工程学院教务处制2013年12月

工程光学课程设计评分表题目名称25x显微物镜实习时间2013年12月23日至2013年12月31日共2周实习地点实验楼513设汁报告得分序号评价项目满分得分1应用文献资料能力及综合运用知识能力2设计说明书撰写水平；插图质量3设计（实验）能力及创新性设计报告得分总计实物制作效果评语：指导教师签字：年月日学生XX班级学号平时表现（20分）答辩（20分）综合评定得分实习成绩(6069)和不及格(少于60分)五级给出。<-»«—»<->*-*<->*-*—、、ZEMAX软件介绍美国ZEMAXDevelopmentCorporation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。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。在一些较为复杂的光学系统中，可以同时使用序列和非序列光线追迹。根据需要，可以采用序列光学表面与任意形状、方向或位置的非序列组件进行结合，共同形成一个系统结构。25x显微镜物镜属于中倍显微物镜，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6x至30x之间，数值孔径NA为0.2至0.6之间。由于显微物镜倍率较高，像距远大于物距，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。物镜的像差校式采取两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差，这种方案的有点是：二个双胶合透镜组合在一起则为一个中倍物镜，移去一个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用。其总设计图如图1所示。图125x显微镜物镜设计方案图1、 物镜的数值孔径物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，增强物镜的聚光能力可提高物镜的鉴别率。数值孔径通常以符号“NA”表示(即NumericalAperture)。根据理论的推导得出：NAnsinu式中n—物镜与观察之间介质的折射率；u——物镜的孔径半角。因此，有两个提高数字孔径的途径：增大透镜的直径或减少物镜的焦距，以增大孔径半角u。此法因导致象差增大及制造困难，实际上sinu的最大值只能达到0.95。增加物镜与观察之间的折射率n。2、 物镜的分辨率物镜的分辨率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力。要明白分辨率可以有一定的限度，这就要用光通过透镜后产生衍射现象来解释。物体通过光学仪器成像时，由于光的衍射，物点的象不再是一个几何点，而是有一定大小的衍射斑。衍射斑中心亮斑集中了全部能量的83.78%，叫作艾里斑。艾里斑的中心代表像点的位置。根据瑞利（Rayleigh）判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑半径时则能被光学系统分辨。其分辨率为a0.61九0.61九C= = =PnsinuNA根据道威（Doves）判断，两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为0.85a时，则能被光学系统分辨。其分辨率为0.85a0.5九c= =PNA由以上公式可知，显微镜的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径。3、物镜的有效放大率在保证物镜的分辨率充分利用时所对应的物镜的放大率，称为物镜的有效放大率。有效放大率可由以下关系推出：设眼睛容易分辨的角距离为2'4'，则在明视距离上对应的线距离c'为2x250x0.00029mm<c'<4x250x0.00029mm把C'换算到显微镜的物空间，按道威判断取c值，则2x250x0.00029mm<0.5九/NA-r<4x250x0.00029mm设照明光的平均波长为0.000555mm，得523NA<r<1046NA近似写作

500NA<r<1000NA由此可知：物镜的有效放大率由物镜的数值孔径及入射光波长决定。4、实际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。四、25x四、25x显微镜物镜光学系统仿真过程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图2SiirC:T/peH.'dlU3ThiclnesaCorLiz09JST-BDdardiDdriitylfiE.SEBDOOU.MOODtlo.noncon1ST-BDdBr-d-€.9SSDiMD.SEODQOZFT3.-I0HB4o.nonwn2ST-BDdard-ii.oii&nooE.TDODOO^.-FTHOBio.noncon3ST-BDdBr-d230000l.seooaoEKS■i.iiDesao.nonwn■!ST-BDdardneoT.snoDao1.1233E9o.nonconSICST-BDdardiDClriityT.4DODOO3.0*3074o.noncon€ST-BDdBr-dii^asnooE.8B0DQ02.哗日”1o.nonwn7ST-BDdBr-d-€.-5^50001.190DQ0ZFT2o.nonoonBST-BDdard-;a.-9ioniMD.8EODOO2.-E178Z2o.noncon9ST-BDdBr-d3..537000i.OBDDOOEBAF32.-105335o.nonwnIDST-BDdard3.6300001.000000L.conoiao.noncon11ST-BDdBr-dInClriit^D.170DQ0K9O.«60973o.nonwn12ST-BDdardiDdriityD.£7BD52Mo.-Fienao.nonconIHftST-BDdardiDdriity-0.4SS7別o.noncon图2显微镜物镜初始结构图在用ZEMAX软件进彳丁设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：物方数值孔径为0.016，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3所示。从MTF图和像差图可以看出该显微物镜的成像质量还IBN匸工帀」頭T1ZDI』TR)WIBN匸工帀」頭T1ZDI』TR)W」ERSE叭FHNPLOTPaLYOROMRTLCEHFF版TICNI1TFLisismsndrnuETHJTULeMUmUMStflLG：1w蔵电rateens罠U骷2.C3B:MKKsnHanlAil*黑jcmUETM]ZEM.TL 1729-H2SPATIALFnEC^JSKVDICYCLESPERJllLLMTERLENSMRSHOTITLE.rwLiillsMTAAS:O.H&bLTO配陌曲HICRGNS.不是很好，需要对其进行自动优化校正。图3初始结构各参数仿真图2、自动优化首先，建立自动优化函数。具体过程如下：选择Editors〉〉MeritFunction,弹出MeritFunctionEditor对话框，在Type栏中输入EFFL，并将Target定为6.930840,Weight值取1.0；其次，选择Editor对话框工具栏中的Tools»DefaultMeritFunction,设置0ptimizationandReference为RMS~Wavefront~Centroid；最后,选择确定按钮进行自动优化。自动优化后,显微镜物镜结构的数据如下：Surf■:TypeCcrmantRidiusThi aaCLs.saSrarri-DiarAtarQ&JSiandcilI^xinlTYL65.355Q001Z.5OQ0DO1Srandaid-e_7€ll€7V2.025S29VZT73.483€11andfird-：9.201O3€Q£.7000003.97-52372StandardLQ.724110i.9!aoaoaZE24 曰4Standsr-d41.39-6926V7.SDOOOO4.D0901E3TOSujidHrdInriJil-Ey7.4DOOOO2.94€855G5tan.dezd3.271757寸2.330000ZK92.6337517Standszd.-&.2S7S491.19DC00"772.4511458Standard-65.0@B2«90„3200002.4194723SrandardL3-Z5ZBS1V4„03OQ00ZBAT3Z.ZE30ZQL'Da^dexd2.032373i.oooaoo0.92573S11an.dnrd七y0.170000K90.E230G7-L2StandardInfinity.可U修编.D.oDacQa0.IMA5tbjuIerdLTnfinlry0.5000DDU3、最终仿真参数分析UseX-Field图4显微镜物镜优化结构图图5自动优化后各参数仿真图Y-Field WeightVDX |1.0000e.3751.000012.51.5000|0.000000.000000.00000isid曰mT囱初典EBSSRRrFRNfl0T P0LVCWCMA7ICDH^ffiftCTION和胆LEN5HAShC7IRJ=・TMUTLL920LANfttDmSI^LE：tS.3&0I1ICI?&JS.LBSHfISN口TITLE・THUEL9耳EDfiTflFORQt.MBfi-LTO«.6563KEOBWS.:皿0川.1底31COWFICUMTIQN!CF1EW彌URTRF.■州*■CTHFIsQUERTTaHiOF1SFftTEflL^REqUEhCTINCVCLBSPlERHDLLMTEE系统光睫GlassCatalcgaRayAiming变迹右敬前焦点长度有畝的糕点长度:较1画空叵MA=0-015:SCHOTTGHIKA:O--:均衝「统一的「医子= O-OOOOOE+OOO: .3€9aS2E垂轨温度和压力在兰气口): c.S€33S3t在际空叵)BackF口calLengthBackF口calLength统诗轨迹暮稼空更F理离铀三作OTF/#二作面17社linageSpaceNA物空叵NA先蔚爭轻离蝴像高 ：近轴战丈率：入匝食轻Z入晅区域:入晅宜径入晅直径区域FieldType: 29„92805: 1.2245431.247z 1^249574= 0_3721fi05:0.016: 2.75SLS10.498864-0.039909125_6093169.92942812„20801-1&.22329二Objsctheiyhtin毫米由图可看出：物方数值孔径NA=0.3721605，与要求的0.4很接近；初始设定的物高为12.5,仿真得像高为0.498,则放大倍数m=25.1,与要求的放大倍数25倍十分接近。最终的仿真参数基本符合设计的要求。设计总结在课程设计刚开始的时候，对于ZEMAX软件我也是没有接触过，第一个任务是安装软件，学习软件。从网上查询资料，去图书馆查阅相关书籍，到对软件以及设计的过程有了初步了解，首次认识就要利用它来设计，感觉是件很困难的事。在后来的不断实践中，在学习使用软件的过程中，对这次设计的概念越来越清晰，初步掌握了对于软件优化过程中的一些小技巧，比如说设置不同的镜片为孔阑得到的结果