简单光学镜头优化设计5倍显微物镜的优化设计文档格式.docx
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附录D提供的式、式和式，有
P 4P（h）310
W 3W（h）210
I h
CI
C2
410
u11
h
u
其中，是物镜的光焦度，1/f。
4、第2步将P和W规化到无限远
附录D提供的式有
2
PPu1（4W1）u1（32）
WWu1
（2）
将已得出的P、W和u1值代入得 3
P10 1W10 5、求P0
22
P0P（WW0）P（W）
其中，对于冕牌玻璃在前的玻璃对，W0；
对于火石玻璃在前的玻璃对，W0。
这里取它们的平均值W0。
6、选物镜玻璃对
据已得的CI和P0数据，在附录F的双胶薄透镜P0、Q0表中找出物镜的玻璃对及相关
数据。
现选出5对玻璃对，以资比较。
第1对玻璃对为，这是冕牌玻璃在前的玻璃对，其中BaK7的折
射率和阿贝数分别为n1，1；
ZF3的折射率和阿贝数分别为
n，2。
这对玻璃，当CI0时，P0，Q0。
2第2对玻璃对为，这也是冕牌玻璃在前的玻璃对，其中K3的折射率
和阿贝数分别为n1，1；
ZF2的折射率和阿贝数分别为n2。
2。
第3对玻璃对为，这是火石玻璃在前的玻璃对，其中ZF2的折射
率和阿贝数分别为n11.6726，81；
BaK2的折射率和阿贝数分别为
n2，。
这对玻璃，当
时，
。
第4对玻璃对为，这也是火石玻璃在前的玻璃对，其中F2的折射率
CI0P0Q0
QK3
的折射率和阿贝数分别为
n22
第5对玻璃对为，这是冕牌玻璃在前的玻璃对，其中QK3的折射
率和阿贝数分别为n1，1；
ZF3的折射率和阿贝数分别为n2。
2
。
但这对玻璃对的参数并不符合上面计算的结果，这对玻璃对，当CI0时。
P0，Q0。
选择这对玻璃对的用意是测试在选错玻璃对的情况下的镜头参数。
7、分配光焦度，计算半径
附录D提供的式、式和式有
2
12 112
WW0QQ0
1
c 21 c1c2 n11
c3c2 n21
Q
用物镜的焦距除式，就得物镜各半径为
fr1 c1
fr2 c2
fr3 c3
在式~式中代入第1对玻璃对的相关数据，可得
r1，r2，r3
在式~式中代入第2对玻璃对的相关数据，可得
在式~式中代入第3对玻璃对的相关数据，可得
在式~式中代入第4对玻璃对的相关数据，可得
在式~式中代入第5对玻璃对的相关数据，可得
至此，5对玻璃对的初始结构已解毕，下面转入优化。
设计步骤二：
对玻璃对进行优化
对玻璃对进行优化1、玻璃对的初始结构和像差
玻璃对的初始结构如表1-1所示。
其中两片镜片的厚度取值为
和，这是根据工艺情况估算的。
在进行优化前，它的光路图如图1-2所示，像差曲线图1-3和图1-4所示，要求消除的几个像差数据如表1-2所示，这些曲线图和数据是使用
ZEMAX-EE–20XX0进行计算得到。
表1-1玻璃对的初始结构
图1-2光路图
图1-3横向像差曲线图
简单光学镜头优化设计设计任务——-5显微物镜的优化设计
×
姓
名：
洪梅华
号：
20XX28015926012
学
培养单位：
中国科学院微电子研究所
专业：
微电子学与固体电子学
任务要求：
-5显微物镜的优化设计
利用ZEMAX程序优化设计一个-5显微物镜。
先依据初级像差理论解出初始结构，然
后在计算机上进行优化，找到一个像质较优的解。
-5显微物镜展开的光路如下简图1-1所示。
图1-1-5显微物镜展开光路简图
具体设计任务的要求为：
焦距f；
数值孔径NA（urad）；
线视场2y15mm；
即l1；
离物镜92mm，即d292mm；
镜头采用双胶结构，孔径光阑安放在物镜上；
镜头只消球差，彗差和位置色差；
像质按显微物镜像差允限要求；
按照计算光路的方向，横向放大率1/5；
光路中有一块棱镜，展开长度为d，材料是K9玻璃。
它离物平面
该显微物镜用于目视观察，对d光消单色像差，对F光和C光消色差。
用PW方法选出玻璃对，解出初始结构；
利用ZEMAX程序优化初始结构，使像质达到像差公差要求；
这个低倍显微物镜的相差公差是：
A、球差：
球差的公差有两部分构成，即全口径边缘轴向球差Lm和剩余轴向球差L。
球差的公差为：
L（mm）
m
nu2
L
6
（mm）nu2m
上式中，是d光波长，n和um分别是像方折射率和像方最大孔径角。
B、位置色差：
于不同波长的球差一般不同，所以光学系统中存在色
球差。
对于双
胶合这种结构简单的镜头，一般只要求在孔径处得位置色差为：
LL（mm）
FCnu2
C、正弦差OSC：
正弦差OSC的公差要求是：
OSC
设计步骤一：
依据初级像差理论求解初始结构
1、棱镜的初级像差数据计算：
近轴情况下，按照计算光路，物方数值孔径为：
u1u/u（1/5）
棱镜的等效空气为：
dd/n
物方视场角为：
up y-
l1-d-d2--
附录B提供的公式，计算出平行平板的有关像差系数如下：
21n ud10
45 mm
Ip1 n3 311n2105mmSuud
1pn
Cu2d（1n）104mm
2Ip1 n
IIp3
式中u10.03rad为物镜的物方孔径角；
up0.0529r4ad为物方视场角；
d38.63mm为棱镜展开后平板的厚度；
n和分别是K9玻璃的折射
图1-4轴向像差曲线表1-2镜头的几个像差数据
像差 数值m全口径边缘轴向球差L 剩余轴向球差L -位置色差LLFC
正弦差OSC-×
10-32、优化玻璃对
从上面的曲线图和数据表可知，经过计算得到的玻璃对虽然达到了比较好的效果，但还
是没有达到设计的像差公差要求，需要对镜头进行优化。
取物镜的前两个半径作为变量。
它的第三个半径保证像方数值孔径。
采用三个评价函数进行优化，分别为轴上点全孔径d
光的纵向像差LONA、轴上点孔径F光和C光的轴向色差AXCL和正弦差OSCD。
优化目标都为0，权重都为1。
优化后的结构参数见表1-3所示，优化后的像差曲线如图1-5和1-6所示，优化后的像
差数据如表1-4所示。
表1-3镜头优化后的结构参数
图1-5镜头优化后的横向像差曲线图
图1-6镜头优化后的纵向像差曲线表1-4镜头优化后的几个像差数据
像差 数值m全口径边缘轴向球差L-×
10mm-4剩余轴向球差L --×
10mm位置色差LL-4FC正弦差OSC×
10-4将优化后的像差数据跟显微物镜的像差公差要求对比：
全口径边缘轴向球差Lm
剩余轴向球差L位置色差LFLC
正弦差OSC
可见，优化后镜头的像差在公差范围内，合乎要求。
3、对镜头进行进一步优化
在上面的优化中，将像面的位置定在近轴主光线与光轴的交点上，即理想像面的位置。
如果在上面的优化基础上将像面的位置也作为一个变量，可以对镜头进行进一步优化。
优化后的结构参数见表1-5所示，优化后的像差曲线如图1-7和1-8所示，优化后的像
差数据如表1-6所示。
表1-5镜头优化后的结构参数
图1-7镜头优化后的横向像差曲线图
图1-8镜头优化后的纵向像差曲线表1-6镜头优化后的几个像差数据
像差 数值m全口径边缘轴向球差L -×
10-14mm剩余轴向球差L --×
10位置色差LLF-13Cmm
正弦差OSC×
10-11从上表的数据可知离焦优化后镜头可以达到更理想的效果。
玻璃对的初始结构如表1-7所示。
其中两片镜片的厚度取值为和
这是根据工艺情况估算的。
在进行优化前，它的光路图如图1-9所示，像差曲线图
1-10和图1-11所示，要求消除的几个像差数据如表1-8所示，这些曲线图和数据是使用ZEMAX-EE–20XX0进行计算得到。
表1-7玻璃对的初始结构
图1-9光路图
图1-10横向像差曲线图
图1-11轴向像差曲线
像差表1-8镜头的几个像差数据
数值全口径边缘轴向球差Lm 剩余轴向球差L -位置色差LLFC
优化后的结构参数见表1-9所示，优化后的像差曲线如图1-12和1-13所示，优化后的
像差数据如表1-10所示。
表1-9镜头优化后的结构参数
图1-12镜头优化后的横向像差曲线图
图1-13镜头优化后的纵向像差曲线
像差表1-10镜头优化后的几个像差数据
数值m全口径边缘轴向球差L -×
10mm位置色差LL-3FC正弦差OSC×
全口径边缘轴向球差Lmmm
优化后的结构参数见表1-11所示，优化后的像差曲线如图1-14和1-15所示，优化后
的像差数据如表1-12所示。
表1-11镜头优化后的结构参数
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