华科应光课程设计显微镜的设计.docx
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华科应光课程设计显微镜的设计
应用光学课程设计
低倍显微镜设计
学院：
光学与电子信息学院
专业：
光电信息工程
班级：
光电1209
学号：
U201214…
姓名：
...
2015年1月15日
目录
一．选题背景及参数说明3
1.1选题背景及意义3
1.2显微镜主要技术指标及说明4
二．外形尺寸计算4
2.1显微物镜初始结构计算4
2.2显微镜目镜的选取9
三．系统的优化10
3.1物镜像差容限的计算：
10
3.2物镜优化：
10
3.3目镜优化16
3.4系统结果23
四．光学系统零件图26
五．总结与心得体会28
一．选题背景及参数说明
1.1选题背景及意义
光学显微镜（OpticalMicroscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。
显微镜作为一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。
自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和事物的细小单元。
不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜。
人类在科学史上的多次重大发现都离不开显微镜的功劳。
下图为显微镜结构原理图。
显微镜系统结构图
1.2显微镜主要技术指标及说明
显微镜的技术指标是根据所需要观察的对象决定的。
1、显微镜的放大率
由倍率公式Γ=
Γ=显微镜总放大倍率
：
物镜的放大倍率，：
目镜的放大倍率
选择适宜的倍率为＝-4*倍；
2、显微镜的机械筒长通常是标准化的，我国目前的标准为160mm；
二．外形尺寸计算
2.1显微物镜初始结构计算
显微镜的成像原理示意图
用PW法计算显微物镜初始结构参数具体方法如下：
（1）选型：
一般选择的显微物镜的共轭距离为190mm，由于设计的是低倍显微镜故选择物镜的垂轴放大率为-。
数值孔径为0.1，物高为2mm。
则可列方程组为：
解此方程求得：
，，
（2）用PW法计算显微物镜初始结构参数具体方法如下：
选择结构型式及确定基本像差参量，低倍显微物镜视场很小，数值孔径也不大，只要求校正球差、正弦差和位置色差，选取双胶合物镜便可满足要求。
取共轭位置的像差参量为
，
必须把像差参量进行规化。
已知数值孔径，由于物方是空气，故，
则像差公式可
3.296
（3）、选择玻璃当是较大的负值时，尽量取火石玻璃在前为宜。
可以使双胶合物镜胶合面半径较大，使得高级像差小一些。
则
=
根据和的值，查表可选择F3和QK3两种玻璃组成双胶合物镜。
再由表差得有关参数：
，A=2.462220，B=-25.38315
C=65.4475，K=1.731110，L=-9.15655
=5.1545526，=0.025670，=-0.236602
P=0.821632，=1.6164，=1.4874
（4）求形状系数
或4.002924
取Q=4.002924。
（5）由Q求透镜各面规化的曲率
=
（6）由Q求透镜各面规化的曲率
（7）现将该透镜系统结构数据整理如下：
物距入射光瞳2h=7.6mm
r
d
玻璃牌号
F3
r2=10.4571
QK3
（8）、求厚透镜各面的球面半径。
光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下：
①光学零件外径的确定。
根据设计要sin物距，可算出通光口径D=15.28mm。
透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得余量为1.5mm，由此可得透镜的外径为16.78mm。
②光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。
查表可得边厚t=1mm，中心最小厚度d=1.0。
为了保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：
对凸透镜：
高精度
中精度
其中还必须满足
对凹透镜：
高精度且
中精度且
式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。
具体结构如图所示。
根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。
凹透镜：
式中为球面矢高，可由下式求得
根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得，。
凸透镜：
式中为球面矢高，可由下式求得
式中r为折射球面半径，D为透镜外径。
根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得
然后，再将它带入式求得凸透镜最小边缘厚度：
凸透镜最小中心厚度：
③在保持u和u’角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。
薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的u和u’角不变，由式和式可知当u和u’不变时，P、W在变换时可保持不变，放大率亦保持不变。
当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则光学系统的光焦度亦保持不变。
（9）最终可得物镜：
r
d
玻璃牌号
F3
r2=10.4571
QK3
2.2显微镜目镜的选取
目镜放大率选取为20左右，焦距fe’=250/Γ=250/20=12.85。
查阅光学设计手册P282，根据所需参数选取目镜2-02：
选用的玻璃分别为BK7,BK7和F5
三．系统的优化
3.1物镜像差容限的计算：
根据之前的计算，已基本得到了双胶合物镜的初始结构参数。
现在我们知道：
物距：
38mm，入瞳直径：
7.6mm。
因为入瞳在物镜上，所以第一面为STO面，各面曲率半径已知。
1）焦距30～31mm为合格；
2）放大倍率-3.85～-4.25为合格
3）像差容限
i）球差：
根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。
令其小于或等于1/4波长，即可得到边光球差的容限公式为：
ii）慧差：
我们用慧差代替正弦差SC，即慧差，即小于0.03即可。
iii）波色差：
.
3.2物镜优化：
输入初始结构如下：
优化之前光路图为：
优化之前各图为：
优化SPHA球差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差，并且目标有效焦距EFFL为30.4mm，放大率PMAG设定为-4。
优化之后数据图如下：
优化后各图变为：
通过与优化前的比较可看出，点列图明显得到优化，Rayfan图和OPDfan图数值有了明显优化。
基本符合要求。
从systemdata里读出物镜有效焦距为30.552313mm，符合设计要求。
像差的seidelcoefficients如图
从该表中可以看出像差各项较小，符合设计要求。
球差，色差和弧矢彗差等得到了校正。
3.3目镜优化
根据所选取的目镜，在zemax里输入相应的初始参数，目镜反向设计得到如下图示：
优化之前光路图为：
优化前各图为：
可见直接从光学手册里获得的目镜误差极大，需要进行优化。
所需优化的值为SPHA（球差），,COMA彗差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差，并且目标有效焦距EFFL为11.953mm。
优化后各图为：
像差的seidelcoefficients如图
读出其有效焦距为11.953116，符合设计要求。
从图中数据可以看出，点列图得到了很好的优化。
光路图也较为理想。
Rayfan图和OPD图从前后图可以看出前后误差变化得到了较好的优化。
3.4系统结果
将以上优化好的数据显微镜系统示意图可得如下优化之后数据。
优化之后的系统参数如图所示：
Seidelcoefficients为：
MTF函数图为：
系统光路图为：
由于系统较长，故上图显示得不太清晰，从上图可看出系统总长度为211.62326mm。
符合显微镜的设计要求。
除去40mm的物方入射距离以及10mm设定的出射距离，恰好物镜与目镜的距离161mm。
与我国标准筒长距离相符。
所以最初设计的系统各部分分别经过zemax优化后，组合系统符合最初的设计要求，像差在较为理想范围内，可以正常工作，所以该项目基本得到实现。
四．光学系统零件图
这里我来绘制双胶合物镜双凸透镜零件的图，在已优化的数据读出两面半径分别为7.315504和-40.84669厚度为5.79。
在systemdata里读出透镜高度为7.72881。
画出零件图，并进行标注。
零件材料为QK3玻璃，类型为双凸透镜。
折射率为=1.4874
R1=7.315504，R2=40.84669
△=d-f1’+f2=141.18
f’=-f1’f2’/△=19.71
D=32.81246
双凸透镜
双凸面镜零件图：
五．总结与心得体会
通过几周的不断的设计，终于完成了这篇光学设计。
顿时感觉辛苦的完成一件任务，一种成就感发由身心。
设计的过程可以说是一波三折，在设计中遇到各种各样的问题。
有些问题让我苦恼了好几天。
通过各种请教老师和同学还有去图书馆查阅资料。
虽然大部分资料都比较深入，资料理解难度比较大。
但最终还是坚持下来了，圆满的完成了光学课程设计。
以下是此次设计的一些收获：
1.通过这次光学设计加深了原先很多光学知识的印象和理解，通过不断在设计中解决问题，以前很多不明白内容，现在逐渐明白它们在光学设计中起着的作用，也明白了书本上干巴巴的知识可以转化为现实的产品，可以设计出完整的结构。
总的说来，本次设计学到了很多，丰富了光学设计的知识：
pw法的计算方法，像差的分析与考虑，函数优化的方法与经验；同时更为重要的是要有耐心的态度，计算过程的复杂，优化时变量的选择等等都需要我们有良好的心态。
参考文献：
1.《光学仪器设计手册》.北京：
国防工业出版社,1971
2.《应用光学》.张以谟机械工业出版社,1982
3《光学设计教程》 .黄一帆，李林出版社：
北京理工大学出版社
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