工程光學(xué)課程設(shè)計報告

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：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)生XX：學(xué)號：指導(dǎo)教師：工程學(xué)院教務(wù)處制2013年12月

工程光學(xué)課程設(shè)計評分表題目名稱25x顯微物鏡實習(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513設(shè)汁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XX班級學(xué)號平時表現(xiàn)（20分）答辯（20分）綜合評定得分實習(xí)成績(6069)和不及格(少于60分)五級給出。<-??—?<->*-*<->*-*—、、ZEMAX軟件介紹美國ZEMAXDevelopmentCorporation研發(fā)ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計軟件，集成了光學(xué)系統(tǒng)所有的概念、設(shè)計、優(yōu)化、分析、公差分析和文件管理功能°ZEMAX所有的這些功能都有一個直觀的接口，它們具有功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點。ZEMAX有兩種不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE,有些功能只在EE版本中才具有。ZEMAX可以模擬序列性(Sequential)和非序列性(non-sequential)系統(tǒng)，

分別針對成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。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(xué)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，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。在一些較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，可以同時使用序列和非序列光線追跡。根據(jù)需要，可以采用序列光學(xué)表面與任意形狀、方向或位置的非序列組件進行結(jié)合，共同形成一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。25x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6x至30x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，像距遠大于物距，顯微物鏡的設(shè)計通常采用逆光路方式，即把像方的量當(dāng)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(dāng)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。其總設(shè)計圖如圖1所示。圖125x顯微鏡物鏡設(shè)計方案圖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“NA”表示(即NumericalAperture)。根據(jù)理論的推導(dǎo)得出：NAnsinu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：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。增加物鏡與觀察之間的折射率n。2、 物鏡的分辨率物鏡的分辨率是指物鏡具有將兩個物點清晰分辨的最大能力。要明白分辨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)儀器成像時，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斑。衍射斑中心亮斑集中了全部能量的83.78%，叫作艾里斑。艾里斑的中心代表像點的位置。根據(jù)瑞利（Rayleigh）判斷，兩個相鄰像點之間的間隔等于艾里斑半徑時則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。其分辨率為a0.61九0.61九C= = =PnsinuNA根據(jù)道威（Doves）判斷，兩個相鄰像點之間的兩衍射斑中心距為0.85a時，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。其分辨率為0.85a0.5九c= =PNA由以上公式可知，顯微鏡的分辨率主要取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。3、物鏡的有效放大率在保證物鏡的分辨率充分利用時所對應(yīng)的物鏡的放大率，稱為物鏡的有效放大率。有效放大率可由以下關(guān)系推出：設(shè)眼睛容易分辨的角距離為2'4'，則在明視距離上對應(yīng)的線距離c'為2x250x0.00029mm<c'<4x250x0.00029mm把C'換算到顯微鏡的物空間，按道威判斷取c值，則2x250x0.00029mm<0.5九/NA-r<4x250x0.00029mm設(shè)照明光的平均波長為0.000555mm，得523NA<r<1046NA近似寫作

500NA<r<1000NA由此可知：物鏡的有效放大率由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長決定。4、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。四、25x四、25x顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過程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)選擇如圖2SiirC:T/peH.'dlU3ThiclnesaCorLiz09JST-BDdardiDdriitylfiE.SEBDOOU.MOODtlo.noncon1ST-BDdBr-d-€.9SSDiMD.SEODQOZFT3.-I0HB4o.nonwn2ST-BDdard-ii.oii&nooE.TDODOO^.-FTHOBio.noncon3ST-BDdBr-d230000l.seooaoEKS■i.iiDesao.nonwn■!ST-BDdardneoT.snoDao1.1233E9o.nonconSICST-BDdardiDClriityT.4DODOO3.0*3074o.noncon€ST-BDdBr-dii^asnooE.8B0DQ02.嘩日”1o.nonwn7ST-BDdBr-d-€.-5^50001.190DQ0ZFT2o.nonoonBST-BDdard-;a.-9ioniMD.8EODOO2.-E178Z2o.noncon9ST-BDdBr-d3..537000i.OBDDOOEBAF32.-105335o.nonwnIDST-BDdard3.6300001.000000L.conoiao.noncon11ST-BDdBr-dInClriit^D.170DQ0K9O.?60973o.nonwn12ST-BDdardiDdriityD.￡7BD52Mo.-Fienao.nonconIHftST-BDdardiDdriity-0.4SS7別o.noncon圖2顯微鏡物鏡初始結(jié)構(gòu)圖在用ZEMAX軟件進彳丁設(shè)計時，將顯微鏡倒置設(shè)計。設(shè)置參數(shù)如下：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3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IBN匸工帀」頭T1ZDI』TR)WIBN匸工帀」頭T1ZDI』TR)W」ERSE叭FHNPLOTPaLYOROMRTLCEHFF版TICNI1TFLisismsndrnuETHJTULeMUmUMStflLG：1w蔵電rateens罠U骷2.C3B:MKKsnHanlAil*黑jcmUETM]ZEM.TL 1729-H2SPATIALFnEC^JSKVDICYCLESPERJllLLMTERLENSMRSHOTITLE.rwLiillsMTAAS:O.H&bLTO配陌曲HICRGNS.不是很好，需要對其進行自動優(yōu)化校正。圖3初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)仿真圖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〉〉MeritFunction,彈出MeritFunctionEditor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Editor對話框工具欄中的Tools?DefaultMeritFunction,設(shè)置0ptimizationandReference為RMS~Wavefront~Centroid；最后,選擇確定按鈕進行自動優(yōu)化。自動優(yōu)化后,顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)如下：Surf■:TypeCcrmantRidiusThi aaCLs.saSrarri-DiarAtarQ&JSiandcilI^xinlTYL65.355Q001Z.5OQ0DO1Srandaid-e_7€ll€7V2.025S29VZT73.483€11andfird-：9.201O3€Q￡.7000003.97-52372StandardLQ.724110i.9!aoaoaZE24 曰4Standsr-d41.39-6926V7.SDOOOO4.D0901E3TOSujidHrdInriJil-Ey7.4DOOOO2.94€855G5tan.dezd3.271757寸2.330000ZK92.6337517Standszd.-&.2S7S491.19DC00"772.4511458Standard-65.0@B2?90?3200002.4194723SrandardL3-Z5ZBS1V4?03OQ00ZBAT3Z.ZE30ZQL'Da^dexd2.032373i.oooaoo0.92573S11an.dnrd七y0.170000K90.E230G7-L2StandardInfinity.可U修編.D.oDacQa0.IMA5tbjuIerdLTnfinlry0.5000DDU3、最終仿真參數(shù)分析UseX-Field圖4顯微鏡物鏡優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖圖5自動優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖Y-Field WeightVDX |1.0000e.3751.000012.51.5000|0.000000.000000.00000isid曰mT囪初典EBSSRRrFRNfl0T P0LVCWCMA7ICDH^ffiftCTION和膽LEN5HAShC7IRJ=?TMUTLL920LANfttDmSI^LE：tS.3&0I1ICI?&JS.LBSHfISN口TITLE?THUEL9耳EDfiTflFORQt.MBfi-LTO?.6563KEOBWS.:皿0川.1底31COWFICUMTIQN!CF1EW彌URTRF.■州*■CTHFIsQUERTTaHiOF1SFftTEflL^REqUEhCTINCVCLBSPlERHDLLMTEE系統(tǒng)光睫GlassCatalcgaRayAiming變跡右敬前焦點長度有畝的糕點長度:較1畫空叵MA=0-015:SCHOTTGHIKA:O--:均衝「統(tǒng)一的「醫(yī)子= O-OOOOOE+OOO: .3€9aS2E垂軌溫度和壓力在蘭氣口): c.S€33S3t在際空叵)BackF口calLengthBackF口calLength統(tǒng)詩軌跡暮稼空更F理離鈾三作OTF/#二作面17社linageSpaceNA物空叵NA先蔚爭輕離蝴像高 ：近軸戰(zhàn)丈率：入匝食輕Z入晅區(qū)域:入晅宜徑入晅直徑區(qū)域FieldType: 29?92805: 1.2245431.247z 1^249574= 0_3721fi05:0.016: 2.75SLS10.498864-0.039909125_6093169.92942812?20801-1&.22329二Objsctheiyhtin毫米由圖可看出：物方數(shù)值孔徑NA=0.3721605，與要求的0.4很接近；初始設(shè)定的物高為12.5,仿真得像高為0.498,則放大倍數(shù)m=25.1,與要求的放大倍數(shù)25倍十分接近。最終的仿真參數(shù)基本符合設(shè)計的要求。設(shè)計總結(jié)在課程設(shè)計剛開始的時候，對于ZEMAX軟件我也是沒有接觸過，第一個任務(wù)是安裝軟件，學(xué)習(xí)軟件。從網(wǎng)上查詢資料，去圖書館查閱相關(guān)書籍，到對軟件以及設(shè)計的過程有了初步了解，首次認識就要利用它來設(shè)計，感覺是件很困難的事。在后來的不斷實踐中，在學(xué)習(xí)使用軟件的過程中，對這次設(shè)計的概念越來越清晰，初步掌握了對于軟件優(yōu)化過程中的一些小技巧，比如說設(shè)置不同的鏡片為孔闌得到的結(jié)果