工程光学课程设计报告

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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：
学生姓名：
学号：
指导教师：
黑龙江工程学院教务处制
2013年12 月
工程光学课程设计评分表
题目名称25×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
计
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：
注：最后成绩的评定以优（90100:）、良（8089:）、中（7079:）、及格
（6069:）和不及格（少于60分）五级给出。

一、ZEMAX 软件介绍
美国ZEMAX Development Corporation 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。

二、显微物镜设计方案
25×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。

物镜的像差校正方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1 25×显微镜物镜设计方案图
三、显微镜物镜及参数
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“N A”表示（即Numerical Aperture）。

根据理论的推导得出：
sin
NA n u
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：
（a ）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。

（b ）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
0.610.61sin n u NA
αλλσβ=== 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
0.850.5NA
α
λσβ== 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''24:，则在明视距离上对应的线距离'σ为
22500.00029'42500.00029mm mm σ⨯⨯≤≤⨯⨯
把'σ换算到显微镜的物空间，按道威判断取σ值，则
22500.000290.5/42500.00029mm NA mm λ⨯⨯≤⋅Γ≤⨯⨯
设照明光的平均波长为0.000555mm,得
5231046NA NA ≤Γ≤
近似写作
5001000NA NA ≤Γ≤
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、25×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2
图2 显微镜物镜初始结构图
在用ZEMAX软件进行设计时，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>> Merit Function，弹出Merit Function Editor 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>>Default Merit Function, 设置Optimization and Reference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：
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3、最终仿真参数分析
由图可看出：
(1)物方数值孔径NA=0.3721605，与要求的0.4很接近；
(2)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是不一样的；优化过程中可以采取在小视场范围中优化，然后看整个视场的成象质量，这样往往会比在整个视场优化效果好，最终完成了我们这次的设计。

虽然设计的结果不是很理想，但是通过这次的实践，我对于光学显微镜的结构有了更加深刻的理解，对于ZEMAX软件也有了一定的认识，也掌握了简单的设计思路。

这次实验中我学会了许多东西，ZEMAX软件的基本使用方法，光学系统设计的基本设计思路与步骤，更重要的是一种学习的方法。

整个设计个过程比较艰难，但是结果还是比较令人欣慰。

设计过程是一个不断调试的过程，需要有充足的时间和极大的耐心，设计也充分体现了我们对于理论知识掌握的程度跟我们的动手能力。

在设计中，我深刻体会到理论一定要用于实践，理论的东西在很大程度上都偏离了实际，只有在实际实践过程中才能不断加深我们对理论知识的认识跟掌握，不断完善我们的理论体系。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师和同学们的帮助支持下，终于都一一解决了问题。

非常感谢帮助我的指导老师和同学们，我很开心能将知识运用到实践中并在自主学习中收获到那么多。

参考文献
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[2]袁旭沧，现代光学设计方法，北京：北京理工大学出版社，1995.
[3]胡家升，光学工程导论，大连：大连理工大学出版社，2005.
[4]华家宁，现代光学技术及应用，江苏：江苏科学与技术出版社，2005.
[5]朱自强，现代光学教程，四川：四川大学出版社，1990.
[6]谢建平，近代光学基础，北京：中国科学技术出版社，2006.。