光学系统设计作业

显微物镜光学参数要求为：β=2⨯，NA =0.1，共轭距离为195mm 。 1）根据几何光学计算相应参数；

2）运用初级像差理论进行光学系统初始结构计算；

3）使用光学设计软件对初始结构进行优化，要求视场角o

5±； 4）根据系统的特点列出优化后结构的主要像差分析； 5）计算优化后结构的二级光谱色差。

一、显微物镜的基本参数计算

为有效控制显微镜的共轭距离，显微镜设计时，一般总是逆光路设计，即按1/β进行设计。该显微物镜视场小，孔径不大，只需要校正球差、正弦差和位置色差。因此，采用双胶合物镜。

''''

12

195111l l l l l l f β==-

-=-= 解，得 ''6513043.33l l f ==-= 正向光路 根据 ''

'

J nuy n u y == sin NA n u = 在近轴情况下 NA nu =

'

2y y

β==

由此可求解 '''0.05NA n u == 由此可知逆向光路的数值孔径 综上，该显微物镜的基本参数为

NA 'f 'l l

0.05 43.33 65 130- 二、求解初始基本结构 1）确定基本像差参量

根据校正要求，令'0L δ=、'0SC =、'

0FC L ∆=，即

0C S S

S I

∏

I ===∑∑∑，即

43332220

00

z C

S h P S h h P Jh W S

h C φφφφI I ∏

I ===+===∑∑∑ 解，得 0P W C I === 将其规化到无穷远

11sin 0.1NA n u ==，11n = 则 11sin 0.1/2u U β=⋅=-，11 6.5h l u mm

=⋅=

规化孔径角为

110.1

20.3333071

6.543.33

u u h φ-==

=-⋅ 由公式

()

()()

21141522P P W u W W u μμ∞∞

=++++=++可求得规化后的基本像差参量

代入可得

0.36560.8832

P W ∞∞

==-

2）选择玻璃组合 取冕牌玻璃在前

得 (

)

2

00.850.1

0.155792P P W ∞

∞

=-+=-

根据0P 和C I ，查表选取相近的玻璃组合为BaK7-ZF3，其参数为

Bak7:56,5688.111==v n ZF3:5.29,7172.122==v n

0010.11520, 4.295252, 2.113207P Q ϕ=-=-=

2.397505A =， 1.698752K =

3）求形状系数Q

1,20 4.295252Q Q ==-

解得 1 3.849150Q =-，2 4.741352Q =-

0300.8832450.060241

4.295252 4.7797281.698752

W W Q Q K ∞--+=±=-±=-

取两个相近结果的平均值

4.76054Q =-

4）求各球面的曲率半径 在规化条件下 '

1

f =

由公式

1111211212

1223322221

11

1

1111111

n Q r n n Q r n Q r r n n n ϕϕρρρϕϕϕρ==+=+--==+-==-=+---- 可得 123 1.067869

2.6473331.099948

ρρρ==-=-

则焦距'

43.33f mm =时对应的曲率半径为

'

11

40.576f r ρ=

= '

22

16.367f r ρ=

=- '

33

39.393f r ρ=

=-

5）对薄透镜加厚

213D h mm ==

采用压圈法固定，查表得 1.5mm ∆= 则 透镜的全直径 14.5D mm φ=+∆= 故该显微物镜的外径 14.5mm φ= 透镜的中心厚度公式 21d t x x =-+ 其中

i i x r =代入1r 、2r 、3r 数值 可得

10.232x = 20.584x =- 30.239x =-

查表知 正透镜边缘最小厚度 10.8t ≥ 负透镜中心最小厚度 2 1.0d ≥ 代入可得 1 1.616d ≥ 2 1.0d ≥ 可取 1 2.0d mm = 2 1.5d mm = 该物镜的参数为

r d D n F n C n

40.576 2.0 5688.1 575969.1 565821.1 16.367- 5.1 7172.1 734681.1 710371.1 39.393- 1 1 1

三．光学系统初始结构优化

利用Zemax 软件的自动优化功能进行像差优化设计 初始参数录入如图

自变量选取各球面的曲率半径

对共轭距进行缩放缩放值为195/198.50.9823677

缩放后得

此时保留物距不变其余设为变量进行优化。在评价函数中加入的操作数有焦距EFFL,目标值为43.33，垂轴放大率PMAG，目标值为-0.5，操作数TOTR，目标值为71，控制色差加入操作数AXCL,目标值为0。

最终优化后的光学系统参数如下图，共轭距为195.00011mm。