工程光学课程设计.docx

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工程光学课程设计

工程光学课程设计

设计名称：

工程光学课程设计

院系名称：

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

显微镜光学系统设计

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528

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：

指导教师签字：

年月日

学生姓名

班级学号

平时表现

答辩

综合评定得分

实习成绩

注：

最后成绩的评定以优（90~100）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）和不及格（少于60分）五级给出。

第1章引言

1.1简单介绍

对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：

提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：

*.BMP,*.JPG等，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：

表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：

多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。

但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：

首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成。

记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了。

对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：

透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。

其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等。

1.2物镜设计方案

课程设计要求：

1、学习zemax软件。

2、设计一个25×显微镜物镜，要求所设计的系统成像清晰，显微物镜放大倍率为25×，物方数值孔径NA=0.4，物高为1mm左右。

3、对所设计的光学系统进行zemax软件仿真工作。

我们设计的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，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，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。

25×显微镜物镜设计方案图如图1.1所示。

图1.125×显微镜物镜设计方案图

第2章物镜设计参数及镜片选择

2.1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NumericalAperture）。

根据理论的推导得出：

N.A.=n.sinu

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。

是介质对物镜数值孔径影响示意图。

当光线沿光轴方向射向观察物时，自物体S处发出的反射光除沿SO方向反射外，尚有（S1 S1′）（S2，S2′）等衍射光。

（a）是以空气为介质（又称干系物镜）的情况，只有（S1 S1′）内的衍射光可以通过物镜，（S1 S1′）以外的衍射光如（S2，S2′）均不能通过物镜。

（b）是物镜与观察之间以松柏油或其它油为介质（又称油浸物镜）时，由于折射率n增加，使衍射光的角度变狭，致使（S2，S2′）甚至（S3，S′3）内的衍射光均可通过物镜。

因而使物镜通过尽可能多的衍射光束，利于鉴别组织细节。

2.2物镜的鉴别率

物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示。

d愈小，表示物镜的鉴别率愈高。

要明白鉴别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象时，每一物点对应有一象点，但由于光的衍射，物点的象不再是一个几何点，而是有一定大小的衍射亮斑。

靠近的两个物点所成的象一两个亮斑如果互相重叠，则导致这两个物点分辨不清，从而限制了光学系统的分辨本领一分辨率。

显然，象面上衍射图象中央亮斑半径愈大，系统的分辨本领愈小。

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。

2.3物镜的有效放大倍数

在保证物镜的鉴别率充分利用时所对应的物镜的放大倍数，称为物镜的有效放大倍数。

有效放大倍数可由以下关系推出：

人眼在明视距离（250mm）处的分辨能力为0.15～0.30，因此，需将物镜鉴别的距离d经显微镜放大后成0.15～0.30mm方能被人眼分辨。

若以M表示物镜的放大倍数，则

d.m=0.15~0.30

M=0.15~0.30/d=（0.15~0.30）（N.A.）/0.5λ=0.3~0.6N.A./λ

此时的放大倍数即为物镜的有效放大倍数，通常以M有效表示。

因此

M有效=0.3～0.6N.A./λ

由此可知：

物镜的有效放大倍数由物镜的数值孔径及入射光波长决定。

2.4垂直鉴别率

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。

2.5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。

第3章25×显微镜物镜光学系统仿真过程

3.1选择初始结构并设置参数

显微镜物镜的初始结构图3.1所示：

图3.1显微镜初始结构图

在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。

设置参数如下：

垂直放大率为0.04，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。

3.2自动优化

首先，建立自动优化函数。

具体过程如下：

选择Editors>>MeritFunction，弹出MeritFunctionEditor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MeritFunctionEditor对话框工具栏中的Tools>>DefaultMeritFunction,设置OptimizationandReference为RMS～Wavefront～Centroid；最后，选择"opt"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：

图形如下：

经过自动优化后的显微物镜的结构、传函以及像差如图所示。

此时，像方数值孔径NA=0.3718265，传递函数接近于衍射极限，成像质量较好，基本上达到设计的要求。

图3.2初始结构各参数仿真图

图3.3自动优化后各参数仿真图

3.3物镜的光线像差（RayAberration）分析

通过光线特性曲线来分析光线像差，以显示关于入瞳坐标函数的光线像差。

本次设计的物镜系统的光线特性曲线如图3.3所示。

图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。

左边的图形中以“EY”代替εY。

这是Y方向的像差，有时也叫做子午的，或YZ面的。

右图以“EX”代替εX，有时也叫做弧矢的，或XZ面的。

从此光学特性曲线可以看出，光线特性曲线在Y方向视场角度为0度时通过原点的倾斜不大，表示离焦现象不明显，基本符合设计要求。

图3.3物镜的光线特性曲线图

3.4物镜的光学传递函数（MTF）分析

光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线性空间不变系统，因而可以用线性系统理论来研究它的性能，把输入信息分解成各种空间频率分量，研究系统的空间频率传递特性即光学传递函数，它能全面反映光学系统的成像性质。

FFTMTF是用快速傅立叶变化

由以上三个参数分析可知，所设计物镜基本符合本次设计的要求。

图3.4光学传递函数图像

3.5最终仿真参数分析

原始物高设定如下：

最终仿真参数如下：

由图可看出：

（1）物方数值孔径NA=0.3718265，与要求的0.4很接近；

（2）初始设定的物高为12.5,仿真所得像高为0.499384，则放大倍数m=1.25/0.497=25.03,与要求的放大倍数25倍十分接近。

设计总结

本次工程光学设计是我国之前学的理论知识的一次实用，并且我学习了ZEMAX这个软件，通过查阅使用教程和相关书籍，我基本掌握了ZEMAX软件的使用方法，并且在实践中得到了成功的快乐，ZEMAX可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，通过使用它，我们可以设计多种光学系统。

这次课程设计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。

虽然在实践中遇到了很多问题，但是经过与同学和老师之间的交流，大家积极探索，最终克服一些阻力，同学们在帮助中得到了进步。

光学系统设计是一门非常有意义的课，短短半个学期的学习并不能让我完全掌握它，但是凭借这门课程对光学设计理论的讲解以及实际软件的应用演示，可以说让我已经一只脚迈入了光学设计这个领域，让我感受到这个领域的趣味所在。

总的来说这次实验，还是还是比较成功的。

在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事，如何去做一件事，又如何去完成一件事。

在设计过程中，与同学们相互讨论，相互学习。

也体现了自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用，突现自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

设计中的每个细节和每个数据，都离不开老师的教导，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。