工程光学课程设计

实习报告实习名称：工程光学课程设计院系名称：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 月工程光学课程设计任务书目录1摘要 ...................................................................... 错误！未定义书签。

2物镜设计方案 . (1)3物镜设计与相关参数 (2)3.1物镜的数值孔径 (2)3.2物镜的分辨率 (3)3.3物镜的放大倍数 (4)3.4物镜的鉴别能力 (4)3.5设计要求参数确定 (4)4 显微镜物镜光学系统仿真过程 (5)4.1选择初始结构并设置参数 (5)4.2自动优化 (5)4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6)4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7)4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8)4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 (10)4.7仿真参数分析 (11)5心得体会 (11)6参考文献 (12)1摘要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，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、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仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。

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光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，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透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。

同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，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，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。

使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。

此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、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，也就是消色差物镜。

其总设计图如下：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物镜的数值孔径NA光学系统的数值孔径（NA）是一个无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。

在光学的不同领域，数值孔径的精确定义略有不同。

在光学显微镜领域，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。

其大小由下式决定：NA = n * sin α，其中n是被观察物体与物镜之间介质的折射率；α是物镜孔径角（2α）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β入射的光线才能传播。

β实际上是个空间角，也就是说如果光从一个限制在2β的锥形区域中入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。

3.2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。

θ0称为极限分辨角。

不言而喻，当θ＞θ0时是完全可分辨的，θ＜θ0时是不可分辨的。

由圆孔衍射理论得到：θ0=1.22λ / D式中λ──入射光波长；D──入射光的最大允许孔径（透镜直径）。

因为θ0很小，所以由图2-4得：d′≈θ0=1.22λS / D物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件的，即ndsinu=n′d′sinu′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=0.5λ/N.A因此表明：物镜的数值孔径愈大，入射光的波长愈短，则物镜的分辨能力愈高。

在可见光中，观察时常用黄绿光（λ ≈4400A），则可使分辨能力提高25%左右。

3.3物镜的放大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。

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、性能（像差校正）等进行分类。

其中，按照像差校正来分类的是显微镜物镜特有的分类方法。

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。

如果人跟分辨能力为0.15～0.30mm，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 ×（0.15～0.30）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，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：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27mm，物方半视场高度为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好，需要对其进行自动优化校正。