工程光學(xué)課程設(shè)計

1、工程光學(xué)課程設(shè)計 設(shè)計名稱： 工程光學(xué)課程設(shè)計 院系名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 黑龍江工程學(xué)院教務(wù)處制20 13 年 12 月工程光學(xué)課程設(shè)計評分表題目名稱顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實習(xí)時間2013年 12 月 23 日至 2013 年 12 月 31 日 共 2 周實習(xí)地點實驗樓528設(shè)計報告得分序號評 價 項 目滿分得分1應(yīng)用文獻資料能力及綜合運用知識能力2設(shè)計說明書撰寫水平；插圖質(zhì)量3設(shè)計（實驗）能力及創(chuàng)新性設(shè)計報告得分總計實物制作效果評語： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日學(xué)生姓名班級學(xué)號平時表現(xiàn)答辯綜合評定得分實習(xí)成績注：最后成績的評定以優(yōu)（90100）、良（8089）、

2、中（7079）、及格（6069）和不及格（少于60分）五級給出。第1章 引言1.1 簡單介紹對于實際的光學(xué)系統(tǒng)來說，它的成像往往是非完善成像，對于怎樣來判斷一個光學(xué)系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣，是光學(xué)設(shè)計中遇到的一個重要問題.在當前計算機輔助科研、教學(xué)的迅猛發(fā)展過程中，計算機輔助光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計已成為光學(xué)設(shè)計不可缺少的一種重要手段.其中，由美國焦點軟件公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計ZEMAX，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是可以運算Sequential及Non-Sequential的軟件.其主要特色有分析：提供多功能的分析圖形，對話窗式的參數(shù)選擇

3、，方便分析，且可將分析圖形存成圖文件，例如：*.BMP, *.JPG等，且多種優(yōu)化方式供使用者使用；公差分析：表欄式Tolerance參數(shù)輸入和對話窗式預(yù)Tolerance參數(shù)，方便使用者定義；報表輸出：多種圖形報表輸出，可將結(jié)果存成圖文件及文字文件。但是，這里必須強調(diào)一點的是，ZEMAX軟件只是一個光學(xué)設(shè)計輔助軟件，也就是說，該軟件不能教你怎么去進行光學(xué)設(shè)計，而只是能對你設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)進行性能的優(yōu)化以達最佳成像質(zhì)量所以，在應(yīng)用本教程進行光學(xué)輔助設(shè)計之前，您最好先學(xué)習(xí)一下光學(xué)設(shè)計的有關(guān)知識：首先是幾何光學(xué)基礎(chǔ)，幾何光學(xué)是光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)，要做光學(xué)設(shè)計必須懂得各種光學(xué)儀器成像原理，外形尺寸計算方法

4、，了解各種典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計過程.實際光學(xué)系統(tǒng)大多由球面和平面構(gòu)成。記住共軸球面系統(tǒng)光軸截面內(nèi)光路計算的三角公式，了解公式中各參數(shù)的幾何意義是必要的，具體公式可參考有關(guān)光學(xué)書籍，在此就不一一介紹了。對于平面零件有平面反射鏡和棱鏡，它們的主要作用多為改變光路方向，使倒像成為正像，或把白光分解為各種波長的單色光.在光學(xué)系統(tǒng)中造成光能損失的原因有三點：透射面的反射損失、反射面的吸收損失和光學(xué)材料內(nèi)部的吸收損失。其次是像差理論知識，對于一個光學(xué)系統(tǒng)，一般存在7種幾何像差，他們分別是球差、彗差、像散、場曲、畸變和位置色差以及倍率色差.另外，還必須了解一點材料的選擇和公差的分配方面的知識，以及一

5、些光學(xué)工藝的知識，包括切割，粗磨，精磨，拋光和磨邊，最后還有鍍膜和膠合等。1.2物鏡設(shè)計方案課程設(shè)計要求：1、學(xué)習(xí)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(xué)系統(tǒng)進行zemax軟件仿真工作。我們設(shè)計的25×顯微鏡物鏡屬于中倍顯微物鏡，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

6、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，這種方案的有點是：二個雙膠合透鏡組合在一起則為一個中倍物鏡，移去一個雙膠合透鏡后可用作低倍顯微物鏡使用。25×顯微鏡物鏡設(shè)計方案圖如圖1.1所示。圖1.1 25×顯微鏡物鏡設(shè)

7、計方案圖第2章物鏡設(shè)計參數(shù)及鏡片選擇2.1物鏡的數(shù)值孔徑 物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，增強物鏡的聚光能力可提高物鏡的鑒別率。數(shù)值孔徑通常以符號“N.A.”表示（即Numerical Aperture）。根據(jù)理論的推導(dǎo)得出：N.A.=n.sinu式中    n物鏡與觀察之間介質(zhì)的折射率；      u物鏡的孔徑半角因此，有兩個提高數(shù)字孔徑的途徑：（a）增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距，以增大孔徑半角u。此法因?qū)е孪蟛钤龃蠹爸圃炖щy，實際上sinu的最大值只能達到0.95（b）增加物

8、鏡與觀察之間的折射率n。是介質(zhì)對物鏡數(shù)值孔徑影響示意圖。當光線沿光軸方向射向觀察物時，自物體S處發(fā)出的反射光除沿SO方向反射外，尚有（S1 S1）（S2，S2）等衍射光。（a）是以空氣為介質(zhì)（又稱干系物鏡）的情況，只有（S1 S1）內(nèi)的衍射光可以通過物鏡，（S1 S1）以外的衍射光如（S2，S2）均不能通過物鏡。（b）是物鏡與觀察之間以松柏油或其它油為介質(zhì)（又稱油浸物鏡）時，由于折射率n增加，使衍射光的角度變狹，致使（S2，S2）甚至（S3，S3）內(nèi)的衍射光均可通過物鏡。因而使物鏡通過盡可能多的衍射光束，利于鑒別組織細節(jié)。2.2物鏡的鑒別率物鏡的鑒別率是指物鏡具有

9、將兩個物點清晰分辨的最大能力，以兩個物點能清晰分辨的最小距離d的倒數(shù)表示。d愈小，表示物鏡的鑒別率愈高。要明白鑒別率可以有一定的限度，這就要用光通過透鏡后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象來解釋。物體通過光學(xué)儀器成象時，每一物點對應(yīng)有一象點，但由于光的衍射，物點的象不再是一個幾何點，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的兩個物點所成的象一兩個亮斑如果互相重疊，則導(dǎo)致這兩個物點分辨不清，從而限制了光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)一分辨率。顯然，象面上衍射圖象中央亮斑半徑愈大，系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)愈小。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

10、時定出的兩物點距離A1、A2作為光學(xué)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        式中入射光波長；           D入射光的最大允許孔徑（透鏡直徑）。        

11、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

12、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?，所以式中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（ 4400A），則可使分辨能力提高25%左右。2.3物鏡的有效放大倍數(shù)在保證物鏡的鑒別率充分利用時所對應(yīng)的物鏡的放大倍數(shù)，稱為物鏡的有效放大倍數(shù)。有效放大倍數(shù)可由以下關(guān)系推出：人眼在明視距離（250mm)處的分辨能力為0.150.30，因此，需將物鏡鑒別的距離d經(jīng)顯微鏡放大后成0.150.30mm方能被人眼分辨。若以M表示物鏡的放大倍數(shù)，則d.m=

13、0.150.30M=0.150.30/d=(0.150.30)(N.A.)/0.5=0.30.6N.A./此時的放大倍數(shù)即為物鏡的有效放大倍數(shù)，通常以M有效表示。因此M有效=0.30.6N.A./由此可知：物鏡的有效放大倍數(shù)由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長決定。2.4垂直鑒別率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

14、孔徑，M為顯微鏡的放大倍數(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。2.5實際參數(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

15、算和平衡了，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。第3章25×顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過程3.1 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)圖3.1所示：圖3.1 顯微鏡初始結(jié)構(gòu)圖在用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 0.04，物方數(shù)值孔徑為0.016，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。3.2自動優(yōu)化首先，建立自動優(yōu)化函數(shù)。具

16、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6.930840， Weight值取1.0； 其次，選擇Merit Function Editor對話框工具欄中的Tools>>Default Merit Function, 設(shè)置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：圖形如下： 經(jīng)過自動優(yōu)化后的

17、顯微物鏡的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖所示。此時，像方數(shù)值孔徑NA=0.3718265，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3.2 初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)仿真圖圖3.3 自動優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖3.3物鏡的光線像差(Ray Aberration)分析通過光線特性曲線來分析光線像差，以顯示關(guān)于入瞳坐標函數(shù)的光線像差。本次設(shè)計的物鏡系統(tǒng)的光線特性曲線如圖3.3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）。左邊的圖形中以“EY”代替Y。這是Y方向的像差，有時也叫做子午的，或YZ面的。右圖以“EX”代替X，有時也叫做弧矢的，或XZ面的。從此光學(xué)特性曲線可以看出，

18、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，基本符合設(shè)計要求。圖3.3 物鏡的光線特性曲線圖3.4物鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)分析光學(xué)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(xué)傳遞函數(shù)，它能全面反映光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)。FFTMTF是用快速傅立葉變化由以上三個參數(shù)分析可知，所設(shè)計物鏡基本符合本次設(shè)計的要求。圖3.4 光學(xué)傳遞函數(shù)圖像3.5最終仿真參數(shù)分析原始物高設(shè)定如下：最終仿真參數(shù)如下：由圖可看出：(1)物方數(shù)值孔徑NA=0.3718265，與要求的0.4很接近；(2)初始設(shè)定的物高為12.5,仿真所得像高為0.499384，則放大倍數(shù)m=1.25/0.497=25.03,與要求的放大倍數(shù)25倍十分接近。設(shè)計總結(jié)本次工程光學(xué)設(shè)計是我國之前學(xué)的理論知識的一次實用，并且我學(xué)習(xí)了ZEMAX這個軟件，通過查閱使用教程和相關(guān)書籍，我基本掌握了ZEMAX軟件的使用方法，并且在實踐中得到了成功的快樂，ZEMAX可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，通過使用它，我們可以設(shè)