工程光學課程設(shè)計

1、實 習 報 告 實習名稱： 工程光學課程設(shè)計 院系名稱： 電氣與信息工程專業(yè)班級： 測控 12-1 學生姓名： 張佳文 學 號： 20120461 指導(dǎo)教師： 李靜 黑龍江工程學院教務(wù)處制黑龍江工程學院教務(wù)處制2014 年 2 月實習名稱實習時間2014 年 12 月 22 日至 2014 年 12 月 31 日 共 2 周實習單位或?qū)嵙暤攸c實驗樓 528實習單位評語：（分散實習填）簽字： 公章： 年 月 日成 績指導(dǎo)教師評語： 指導(dǎo)教師簽字：年 月 日工 程 光 學 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書組內(nèi)學生姓名張佳文人數(shù)1院系電氣與信息工程專業(yè)測控技術(shù)與儀器班級、學號測控 12-120120461

2、指導(dǎo)教師姓名李靜職稱講師從事專業(yè)測控技術(shù)與儀器題目名稱顯微鏡光學系統(tǒng)設(shè)計一、課程設(shè)計的目的、意義此課程設(shè)計的目的在于組織同學在教師的指導(dǎo)下，通過自主進行課題研究和探索，了解和掌握基本的科學研究方法和手段，課程設(shè)計用 ZEMAX 軟件完成對顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)的設(shè)計。在此過程中，同學需要掌握應(yīng)用 ZEMAX 軟件設(shè)計光學系統(tǒng)與仿真分析的方法，包括括光學系統(tǒng)建模、光線追跡計算、像差分析、優(yōu)化、公差分析，掌握顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)步驟并完成課程設(shè)計報告。二、課程設(shè)計的主要內(nèi)容、技術(shù)要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、工作量要求等）內(nèi)容：用 ZEMAX 完成顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。要

3、求：1、學習 ZEMAX 軟件。 2、設(shè)計一個 25顯微鏡物鏡，要求所設(shè)計的系統(tǒng)成像清晰，顯微物鏡放大倍率為 25，物方數(shù)值孔徑 NA=0.4，物高為 1mm 左右。 3、對所設(shè)計的光學系統(tǒng)進行 ZEMAX 軟件仿真工作。建模計算分析優(yōu)化三、課程設(shè)計完成后應(yīng)提交的成果1、課程設(shè)計報告；2、日志。四、課程設(shè)計的工作進度安排1、課程設(shè)計動員，布置設(shè)計內(nèi)容；（0.5 天）2、查找資料，做好準備工作；（0.5 天）3、題目的選擇和比較；（1 天）4、顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)的設(shè)計。（2 天）5、顯微鏡物鏡光系統(tǒng)的編輯。（2 天）6、仿真光學系統(tǒng)圖像并分析總結(jié)；（2 天）7、整理資料完成設(shè)計報告的編寫。（1

4、天）8、課程設(shè)計答辯及成績評定。（1 天）五、主要參考資料近代光學基礎(chǔ) 謝建平編著 中國科學技術(shù)出版社，2003 年現(xiàn)代光學技術(shù)及應(yīng)用 華家寧編著 江蘇科學技術(shù)出版社，2005 年應(yīng)用光學課程設(shè)計報告 朱亞東編著 天津大學出版社，2004 年工程光學 郁道銀編著 機械工業(yè)出版社，2005 年光學設(shè)計 劉鈞編著 北京航天大學版社，2001 年六、備注評分標準和方法：1、設(shè)計過程 40%、2、答辯過程 50%、3、報告 10%具體執(zhí)行情況參見課程設(shè)計成績考核辦法。指導(dǎo)教師簽字：年 月 日教研室主任簽字： 年 月 日目 錄1 摘要.12 物鏡設(shè)計方案.23 物鏡設(shè)計與相關(guān)參數(shù).3 3.1 物鏡的數(shù)值

5、孔徑.3 3.2 物鏡的分辨率.3 3.3 物鏡的放大倍數(shù).4 3.4 物鏡的鑒別能力.5 3.5 設(shè)計要求參數(shù)確定.54 顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)仿真過程.6 4.1 選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù).6 4.2 自動優(yōu)化.6 4.3 物鏡的光線像差(RAY ABERRATION)分析 .8 4.4 物鏡的波像均方差(OPD)分析 .9 4.5 物鏡的光學傳遞函數(shù)(MTF)分析.9 4.6 物鏡的幾何點列圖(Stop Diagrams)分析.10 4.7 仿真參數(shù)分析.115 心得體會.136 參考文獻.141 摘要 ZEMAX 是 Focus Software 公司推出的一個綜合性光學設(shè)計軟件。這一軟件集

6、成了包括光學系統(tǒng)建模、光線追跡計算、像差分析、優(yōu)化、公差分析等諸多功能，并通過直觀的用戶界面，為光學系統(tǒng)設(shè)計者提供了一個方便快捷的設(shè)計工具。十幾年來，研發(fā)人員對軟件不斷開發(fā)和完善，每年都對軟件進行更新，賦予 ZEMAX 更為強大的功能，因而被廣泛用在透鏡設(shè)計、照明、激光束傳播、光纖和其他光學技術(shù)領(lǐng)域中。 ZEMAX 采用序列和非序列兩種模式模擬折射、反射、衍射的光線追跡。序列光線追跡主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計，如照相系統(tǒng)、望遠系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)等。這一模式下，ZEMAX 以面作為對象來構(gòu)建一個光學系統(tǒng)模型，每一表面的位置由它相對于前一表面的坐標來確定。光線從物平面開始，按照表面的先后順序進行追跡，

7、追跡速度很快。許多復(fù)雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、微反射鏡、導(dǎo)光管、非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀的物體則需采用非序列模式來進行系統(tǒng)建模。這種模式下，ZEMAX 以物體作為對象，光線按照物理規(guī)則，沿著自然可實現(xiàn)的路徑進行追跡，可按任意順序入射到任意一組物體上，也可以重復(fù)入射到同一物體上，直到被物體攔截。與序列模式相比，非序列光線追跡能夠?qū)饩€傳播進行更為細節(jié)的分析。但此模式下，由于分析的光線多，計算速度較慢。 ZEMAX 是一套綜合性的光學設(shè)計仿真軟件，它將實際光學系統(tǒng)的設(shè)計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。ZEMAX 不只是透鏡設(shè)計軟件而已，更是全功能的光學設(shè)計分析軟件， 具有直觀、功能強大、靈活、

8、快速、容易使用等優(yōu)點，與其它軟件不同的是 ZEMAX 的 CAD 轉(zhuǎn)文件程序都是雙向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出。而且 ZEMAX 可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。 ZEMAX 光學設(shè)計程序是一個完整的光學設(shè)計軟件，是將實際光學系統(tǒng)的設(shè)計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設(shè)計仿真軟件。包括光學設(shè)計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學系統(tǒng)進行設(shè)計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶光學設(shè)計程界面中。而且工作界面簡單，快捷，很方便的就能找到我們想喲實

9、現(xiàn)的功能，ZEMAX 功能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。 ZEMAX 能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統(tǒng)及非成像系統(tǒng)。2 物鏡設(shè)計方案消色差物鏡 (Achromatic) 是較常見的一種物鏡，由若干組曲面半徑不同的一正一負膠合透鏡組成，只能矯正光譜線中紅光和藍光的軸向色差。同時校正了軸上點球差和近軸點慧差，這種物鏡不能消除二級光譜，只校正黃、綠波區(qū)的球差、色差，未消除剩余色差和其他波區(qū)的球差、色差，并且像場彎曲仍很大，也就是說，只能得到視場中間范圍清晰的像。使用時宜以黃綠光作照明光源，或在光程中插入黃綠色濾光片。此類物鏡結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，常和福根目鏡、校正目鏡配合使用，被廣泛地應(yīng)

10、用在中、低倍顯微鏡上。在黑白照相時，可采用綠色濾色片減少殘余的軸向色差，獲得對比度好的相片。消色差通常由兩個分離的雙膠組合透鏡組成，這類物鏡也稱為里斯特物鏡，它的倍率一般在 6至 30之間，數(shù)值孔徑 NA 為 0.2 至 0.6 之間。由于顯微物鏡倍率較高，相距遠大于物距，顯微物鏡的設(shè)計通常采用逆光路方式，即把像方的量當做物方的量來處理。里斯特物鏡兩個雙膠合透鏡光焦度分配的原則通常是使每個雙膠合透鏡產(chǎn)生的偏角相等或者是后組的偏角略大于前組。里斯特物鏡的光闌通常放在第一個雙膠合透鏡上。當兩個雙膠合透鏡相互補消球差和慧差時，兩個雙膠合透鏡的間隔大致和物鏡的總焦距相等。第一個雙膠合的焦距約為物鏡焦距

11、的二倍。第二個雙膠合的焦距大致和物鏡的總焦距相等。物鏡的像差校正方式采取兩個雙膠合透鏡各自單獨校正球差、慧差和色差，也就是消色差物鏡。其總設(shè)計圖如下：圖 2.1 25顯微鏡物鏡設(shè)計方案圖3 物鏡設(shè)計與相關(guān)參數(shù)3.1 物鏡的數(shù)值孔徑 NA 光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA）是一個無量綱的數(shù)，用以衡量該系統(tǒng)能夠收集的光的角度范圍。在光學的不同領(lǐng)域，數(shù)值孔徑的精確定義略有不同。在光學顯微鏡領(lǐng)域，數(shù)值孔徑描述了物鏡收光錐角的大小，而后者決定了顯微鏡收光能力和空間分辨率；在光纖領(lǐng)域，數(shù)值孔徑則描述了光進出光纖時的錐角大小。其大小由下式?jīng)Q定：NA = n * sin ，其中 n 是被觀察物體與物鏡之間介

12、質(zhì)的折射率； 是物鏡孔徑角（2）的一半。物鏡孔徑角是指：物鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。數(shù)值孔徑是光纖的非常重要參數(shù)之一，它體現(xiàn)了光纖與光源之間的耦合效率。光源與光纖端面間存在空氣隙，入射到光纖端面的光只有一部分能進入光纖，而進入光纖端面內(nèi)的光也只有部分符合特定條件的光才能在光纖中發(fā)生全內(nèi)反射而傳播。由圖可知，只有從空氣隙到光纖端面以入射角小于 入射的光線才能傳播。 實際上是個空間角，也就是說如果光從一個限制在 2 的錐形區(qū)域中入射到光纖端面上，則光可被光纖捕捉。3.2 物鏡的分辨率分辨率是物鏡能將兩個物點清晰分辨的最大能力，用兩個物點能清晰分辨的最小距離 d 的倒數(shù) 1

13、/d 表示。物體通過光學儀器成像時，每一物點對應(yīng)有一像點，但由于光的衍射，物點的像不再是幾何點，而是不一定大小的衍射亮斑?？拷膬蓚€物點分辨率所形成兩個亮斑，如果互相重疊則使兩個物點分辨率不清，從而限制了光學系統(tǒng)的分辨率。顯然，像面上衍射圖像亮斑半徑愈大，系統(tǒng)的分辨率則越小。 瑞利（Rayleigh）提出一個推測（又稱瑞利準則）：認為當 A1衍射花樣的第一極小值正好落在 A2衍射花樣的極大值時，A1、A2是可以分辨的，將此時定出的兩物點距離 A1、A2作為光學統(tǒng)的分辨極限。0稱為極限分辨角。不言而喻，當 0時是完全可分辨的，0時是不可分辨的。由圓孔衍射理論得到：0=1.22 / D式中 入射光

14、波長；D入射光的最大允許孔徑（透鏡直徑）。因為 0很小，所以由圖 2-4 得：d0=1.22S / D物鏡在設(shè)計時，總是使它滿足阿貝正弦條件的，即 ndsinu=ndsinu式中 n 和 n為物、象所在空間的折射率，成象總是在空氣介質(zhì)中，故 n=1；u 各 u分別為光線在物、象空間共軛點上的孔徑角；d 和 d分別為物點、象點中心斑的間距?？紤]到顯微鏡中入射光并非都是平行光，有傾斜光線，對上式系數(shù)作適當?shù)男拚?，所以式?nsinu 就是物鏡的數(shù)值孔徑，因此，上式或者寫：d=0.5/N.A因此表明：物鏡的數(shù)值孔徑愈大，入射光的波長愈短，則物鏡的分辨能力愈高。在可見光中，觀察時常用黃綠光（ 4400

15、A），則可使分辨能力提高 25%左右。3.3 物鏡的放大倍數(shù) 放大倍數(shù)是指眼睛看到像的大小與對應(yīng)標本大小的比值。它指的是長度的比值而不是面積的比值。光學顯微鏡放大： 目鏡越短、倍數(shù)越大； 物鏡越長、倍數(shù)越大。 例：放大倍數(shù)為 100，指的是長度是 1m 的標本，放大后像的長度是 100m，要是以面積計算，則放大了 10,000 倍。顯微鏡的總放大倍數(shù)等于物鏡和目鏡放大倍數(shù)的乘積。 3.4 物鏡的鑒別能力顯微鏡的鑒別能力主要決定于物鏡。物鏡的鑒別能力可分為平面和垂直鑒別能力。物鏡（objective lens） 物鏡是決定光學顯微鏡基本性能及功能的最重要的光學單元。因此，為了滿足各種需求和應(yīng)用，

16、我們研制出了有著最佳光學性能和功能（這對光學顯微鏡而言也是最重要的性能和功能）的物鏡，推出了能滿足不同使用目的多種物鏡產(chǎn)品?；旧衔镧R是按照用途、觀察方法、倍率、性能（像差校正）等進行分類。其中，按照像差校正來分類的是顯微鏡物鏡特有的分類方法。 垂直鑒別率又稱景深，定義為在固定相點的情況下，成象面沿軸向移動仍能保持圖象清晰的范圍。表征物鏡對應(yīng)位于不同平面上目的物細節(jié)能否清晰成象的一個性質(zhì)，垂直鑒別率的大小由滿意成象的平面的兩個極限位置（位于聚焦平面之前和之后）間的距離來量度。如果人跟分辨能力為 0.150.30mm，n 為目的物所在介質(zhì)的折射率，（N.A.)為物鏡的數(shù)值孔徑，M 為顯微鏡的放大

17、倍數(shù)，則垂直鑒別率 h 可由下式求出：h=n / (N.A.).M （0.150.30）mm由上式可知：如果要求較大的垂直鑒別率，最好選用數(shù)值孔徑小的物鏡，或減少孔徑光闌以縮小物鏡的工作孔徑，這樣就不可避免降低了顯微鏡的分辨能力。這兩個矛盾因素，只能被具體情況決定取舍。3.5 設(shè)計要求參數(shù)確定按照設(shè)計要求：物鏡放大倍數(shù)為 25，數(shù)值孔徑 NA=0.4，通過以上幾個參數(shù)的計算，計算出理論上的數(shù)值并確定符合數(shù)值要求的鏡片。初步確定第一個雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)由 ZF3 與 K9 組合，第二個雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)由 ZF3 與 ZK9 組合。求出雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)之后，就可以進行光線追跡、相差計算和

18、平衡了，如果的得到不滿意的結(jié)果，可重新選擇玻璃對，再重復(fù)上面的計算，達到設(shè)計要求，也可以采用自動設(shè)計程序作進一步校正，其結(jié)果可能會更好。4 顯微鏡物鏡光學系統(tǒng)仿真過程4.1 選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù)顯微鏡物鏡的初始結(jié)構(gòu)選擇如下：在用ZEMAX軟件進行設(shè)計時，將顯微鏡倒置設(shè)計。設(shè)置參數(shù)如下：垂直放大率為 0.05，物方數(shù)值孔徑為0.25，物高為25mm，物方半視場高度為12.5mm。此時該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖4-1所示。從MTF圖和像差圖可以看出該顯微物鏡的成像質(zhì)量還不是很好，需要對其進行自動優(yōu)化校正。 圖 4.1 優(yōu)化前參數(shù)在用ZEMAX軟件進行設(shè)計時，將顯微鏡倒置設(shè)計。設(shè)置參數(shù)如下：垂

19、直放大率為 0.05，物方數(shù)值孔徑為0.25，物高為27mm，物方半視場高度為13.75mm。此時該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖4-1所示。從MTF圖和像差圖可以看出該顯微物鏡的成像質(zhì)量還不是很好，需要對其進行自動優(yōu)化校正。 4.2 自動優(yōu)化 首先，建立自動優(yōu)化函數(shù)。具體過程如下：選擇Editors Merit Function，彈出 Merit Function Editor 對話框，在Type欄中輸入EFFL，并將Target定為1， Weight值取1.0； 其次，選擇Merit Function Editor對話框工具欄中的ToolsDefault Merit Function, 設(shè)置

20、Optimization and Reference為RMSWavefrontCentroid；最后，選擇opt按鈕進行自動優(yōu)化。 自動優(yōu)化后，顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)如下：圖4.2 優(yōu)化后參數(shù)經(jīng)過自動優(yōu)化后的顯微物鏡的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖4.3所示。此時，像方數(shù)值孔徑NA=0.4433,傳遞函數(shù)接近于衍射極限，成像質(zhì)量較好，基本上達到設(shè)計的要求。圖 4.3 自動優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖4.3 物鏡的光線像差(Ray Aberration)分析左邊的圖是顯示 Y 或正切方向的光線象差，右邊的圖是顯示 X 或弧矢方向的光線象差。我們通過光線特性曲線來分析光線像差，以顯示目鏡坐標函數(shù)的光線像差。本次設(shè)計的

21、物鏡系統(tǒng)的光線特性曲線如圖4.4所示。圖形以光瞳坐標的函數(shù)形式表示了橫向的光線像差（指的是以主光線為基準）。左邊的圖形中的“EY”是Y方向的像差，有時也叫做子午的，或YZ面的。右圖的“EX是X方向 的相差，有時也叫做弧矢的，或XZ面的。這個分析圖表是以 0.500 microns 為主波長，其線型在原點附近斜率不為零，表示產(chǎn)生離焦現(xiàn)象(Defocus)。在此光學特性曲線可以看出，光線特性曲線在Y方向視場角度為0度時通過原點的傾斜不大，表示離焦現(xiàn)象不明顯，光線特性曲線在X方向斜率越來越接近于零，表示離焦現(xiàn)象趨于消失，所以符合設(shè)計要求。圖 4.4 物鏡的光線特性曲線圖4.4 物鏡的波像均方差(OP

22、D)分析 與光線扇形圖一樣采用主光線(Chief ray)為參考光，顯示光離開光瞳(Exit Pupil)后的光程差，而光線扇形圖(Ray Fans Plot)一樣也是顯示光程差但其是顯示光在 IMA 面上的光程差。在接近衍射極限的光學系統(tǒng)中，波像均方差是像質(zhì)的敏感函數(shù)，要求照相物鏡聚焦精確、像質(zhì)好、必須對球差、慧差和像散進行校正，從而使得波像均方差在一定的允許范圍內(nèi)，一般要求物鏡的波像均方差在 0.05以下。此次設(shè)計的透鏡波長為 0.500 microns，圖 4.5 所示為設(shè)計物鏡的波像均方差數(shù)值圖圖4.5 物鏡的OPD圖4.5 物鏡的光學傳遞函數(shù)(MTF)分析MTF表示分析鏡頭的解像力跟

23、反差再現(xiàn)能力 ,光學系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，而且在一定條件下還是線性空間不變系統(tǒng)，因而可以用線性系統(tǒng)理論來研究它的性能，把輸入信息分解成各種空間頻率分量，研究系統(tǒng)的空間頻率傳遞特性即光學傳遞函數(shù)，它能全面反映光學系統(tǒng)的成像性質(zhì)。橫坐標代表鏡頭的成像范圍，即從中央到邊緣的范圍?？v坐標代表了反差的特性，越接近1，反差越高。低頻曲線10線對/mm，紅色（佳能小白鏡頭為黑色粗線）代表了鏡頭的反差屬性，曲線的值越接近1，越平直，說明鏡頭的發(fā)差越高，中心與邊緣的成像越接近于一致，影像輪廓清晰，畫面通透。高頻曲線30線對/mm，綠色（小白鏡頭為黑色細線）代表了鏡頭的銳利度特性，曲線越高，越平直，說明了鏡頭越銳利，分

24、辨率高，畫面的細節(jié)豐富，中心與邊緣的成像越接近于一致。實線與虛線的距離反映了鏡頭的像散特性，距離越小，說明了鏡頭的像散越小。MTF曲線只能反映鏡頭的反差與銳利度的特性。從下圖目鏡MTF仿真圖可以看出曲線很高，證明鏡頭敏銳度很好，虛線和實線很合攏，證明鏡頭焦外效果很好，曲線尾部很平，證明鏡片成像水平從中心到邊緣都很穩(wěn)定，所以符合設(shè)計要求。圖 4.6 物鏡的 MTF 圖由以上三個參數(shù)分析可知，所設(shè)計物鏡基本符合本次設(shè)計的要求。4.6 物鏡的幾何點列圖物鏡的幾何點列圖(Stop Diagrams)分析分析 在 ZEMAX 眾多的分析工具里，除了常使用光線扇形圖來分析設(shè)計系統(tǒng)的光學性能之外，另外也有一

25、個分析功能點列圖(Stop Diagrams)也是一個相當常用的分析圖表。點列圖(Stop Diagrams)可以顯示出平行光束通過光學系統(tǒng)后聚焦于成像面上的斑點。下圖為物鏡的點列圖，如下圖 4.7 所示，下方的 RMS Radius 與 GEO Radius，單位一般仍為 m。前者表示點列圖彌散的實際幾何半徑。有時如僅有兩根光線與像面交點散的厲害，而其他光線分布比較集中，即 RMS Radius 較小，而 GEO Radius 較大，仍認為像質(zhì)比 RMS Radius 值較大時好一些。 過去在設(shè)計使用膠卷的照相物鏡時，常用點列圖進行像質(zhì)評價，如果每一視場點列圖的 RMS Radius 小于 15 m，則可認為設(shè)計中的照相物鏡系統(tǒng)已經(jīng)具有較好的像質(zhì)。 圖 4.7 中給出了三個視場的點列圖情況，由點列圖的圖案及 RMS Radius、Geo Radius 值也可以估算獨立幾何像差大小，即可判斷是什么樣的像差影響點列圖的漸小。如從圖 4.7 中可以明顯地看出場曲與像散是該初始結(jié)構(gòu)主要存在的幾何像差。下圖 RM