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。