显微镜系统设计实验报告

光学系统设计实验报告

设计题目：测量显微镜光学系统

专业班级：光信息08-1班

学生姓名：

学号：

指导老师：

一实验目的

1.了解光学系统设计的基本步骤，学会基本外形尺寸的计算。

2.熟悉ZEMAX软件的操作，了解操作要领，学会应用基本的相差

评价函数并进行优化。

二、实验器材

ZEMAX软件、相关实验指导书

三、设计要求

1）设计说明书和镜头文件。镜头文件包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。

2）部分技术参数选择：

①目镜放大率10

②沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离280毫米

③对工件实边缘的对准精度为2.2微米

④其它参数自定

3）其他要求

①视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。

②可以不加棱镜。如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理。

③可以对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。

④可以加上CCD。

四、具体设计

1.系统结构设计思路

1)系统结构框图

物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45°角，以便于观察和瞄准（此处可以不加设计）。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。

（图1 显微镜系统结构图）

2)等效光路原理图

（图2 显微镜无光轴偏转的等效光路图）

2.外形尺寸计算

1)首先绘出光学系统的等效光路原理图。如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。

2)求实际放大率。系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率 由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为 3)求数值孔径 4)求物镜和目镜的放大率 目镜的放大率 物镜的放大率 5)求目镜的焦距

⨯

-=Γ30102.02

.21.500055

.061.061.0 nsinU ≈⨯⨯===δλk NA 3

-=ΓΓ

=e β⨯=Γ10e mm f e

e 25250

=Γ=

'⨯

≥⨯=≥

Γ222

.21.55

.725.72δk

6)求视场光阑（分划板）的直径D ，考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径 7)求物方线视场的大小 8)求共轭距(存在等效空气平板)

且有 9)求物镜的焦距 由高斯公式

10)求物镜的通光口径D 物和孔径光阑直径D 孔 11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸(此次不设计) 3.光学部件的结构形式 1）显微镜物镜的光学性能参数

主要性能参数是：数值孔径，垂轴放大率，视场。

（图3 显微物镜）

可选取低倍物镜 (3-6倍)，如上图所示 2)显微镜目镜的光学性能参数 像方视场角,焦距,出瞳距，工作距离

mm

y D 122='=视mm y y 43

12

22==-'=βmm l f 8125.471

0=+-=

'ββ

()mm

f L l l l e 255-1='=-=-'βmm l

l 75.631

-l -=-'=β()mm y NA l D 005.182=+⋅-=物mm

NA f D o .75492=⋅'

=孔

（图4 显微目镜）

选取对称式目镜，如上图所示

4．光学系统的拼接和优化

1）物镜设计及优化

①在物镜库中选取符合3倍放大率，焦距在47mm左右的镜头，输入参数，经过优化后物镜成品参数图如图5所示

（图5 显微物镜参数）

（备注：由于优化过程复杂，物镜的焦距有变化，但可以保证放大率）②在像方焦点处设置孔径光阑，并由NA=0.102限制。设置物高为±2mm，取2条权重均为1的特殊光线，光路图如图6所示，物镜共轭距为255mm左右，基本满足设计要求。

（备注：最后在合成时为了使系统成像更加清晰，优化后系统共轭距为243.05033mm，焦距为45.62139mm）

（图6 显微物镜光路图）

（图7 显微镜物镜数据）

③设置评价函数为默认类型，并限制PMAG放大率为为-3，物镜部分性能函数如图8图9，可见物镜成像较为会聚满足设计要求

（图8 物镜标准点列图）

(图9 物镜MTF传递函数)

2）目镜设计（暂时不优化）

①从目镜库中选择10倍放大率的目镜，因目镜成像于无穷远处，为便于分析成像质量，在目镜后添加一块理想透镜对目镜的像进行会聚，参数和光路图如图10图11所示

（图10 显微目镜参数）

（图11 显微目镜光路图）

②目镜的数据如图12，等效焦距约为25mm

(图12 显微目镜数据)

③目镜成像分析

从光路图中可看出目镜对近轴光线放大后成像效果较好，而对离光轴较远处的光线成像不好，表现在出射光不平行

目镜点列图如图13，物点对于两条远轴光线成像为像斑，成像较差，

目镜不做优化，只对组合后显微镜整体优化

（图13 显微目镜点列图）

3）显微镜组合及优化

①选择将目镜拼接至物镜的方法，并适当修改分划板到目镜的距离使系统长度在260mm，并优化理想透镜的物距使成像为一点，优化后参数及光路图如图14图16所示，成像细节如图15所示

（图14 显微镜优化后参数）