1、實習報告實習名稱：工程光學課程設計院系名稱：電氣與信息工程專業班級：測控12-1學生姓名：張佳文學號：20120461指導教師：李靜黑龍江工程學院教務處制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 或實習地點實驗樓528實習單位評語：（分散實習填）簽字：公章：年月日指導教師評語：成績指導教師簽字：年月日:了” A f 工需孕覘工程光學課程設計任務書組內學生姓名張佳文人數1院系電氣與信息工 程專業測控技術與儀器班級、學 號測控12-120120461指導教師姓 名李靜職稱講師從事專業測控技術與儀器題目名稱顯微鏡光學系統設計、課程設計的

2、目的、意義此課程設計的目的在于組織同學在教師的指導下，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，課程設計用 ZEMAX軟件完成對顯微鏡物鏡光 學系統的設計。在此過程中，同學需要掌握應用 ZEMAX軟件設計光學系統與仿真分析的方法，包 括括光學系統建模、光線追跡計算、像差分析、優化、公差分析，掌握顯微鏡物鏡光學 系統的設計和開發步驟并完成課程設計報告。二、課程設計的主要內容、技術要求（包括原始數據、技術參數、設計要求、工作量要 求等）內容：用ZEMAX完成顯微鏡物鏡光學系統的設計與仿真。要求：1、學習ZEMAM件。2、設計一個25X顯微鏡物鏡，要求所設計的系統成像清晰，顯

3、微物鏡放大倍率 為25X，物方數值孔徑NA=0.4，物高為1mm左右。3、對所設計的光學系統進行ZEMA）軟件仿真工作。三、課程設計完成后應提交的成果1、課程設計報告；2、日志。四、課程設計的工作 進度安排1、課程設計動員，布置設計內容；（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的設計。（2天）5、顯微鏡物鏡光系統的編輯。（2天）6仿真光學系統圖像并分析總結；（2天）7、整理資料完成設計報告的編寫。（1天）8、課程設計答辯及成績評定。（1天）五、主要參考資料近代光學基礎謝建平編著中國科學技術出版社，2003年現代光學技術及應用華家寧

4、編著江蘇科學技術出版社，2005年應用光學課程設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出版社，2005年光學設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、設計過程40%、2、答辯過程50%、3、報告10%具體執行情況參見課程設計成績考核辦法。指導教師簽字：年月日教研室主任簽字：年月日1摘要錯誤！未定義書簽。2物鏡設計方案13物鏡設計與相關參數 23.1物鏡的數值孔徑23.2物鏡的分辨率33.3物鏡的放大倍數43.4物鏡的鑒別能力43.5設計要求參數確定44顯微鏡物鏡光學系統仿真過程 54.1選擇初始結構并設置參數 54.2自動優化54.3物

5、鏡的光線像差(Ray Aberration)分析64.4物鏡的波像均方差(OPD)分析74.5物鏡的光學傳遞函數(MTF)分析84.6物鏡的幾何點列圖(Stop Diagrams分析104.7仿真參數分析 115心得體會116參考文獻 121摘要ZEMAX是Focus Software公司推出的一個綜合性光學設計軟件。 這一軟件集成了包括 光學系統建模、光線追跡計算、像差分析、優化、公差分析等諸多功能，并通過直觀的用 戶界面，為光學系統設計者提供了一個方便快捷的設計工具。十幾年來，研發人員對軟件 不斷開發和完善，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 在透鏡設計、照

6、明、激光束傳播、光纖和其他光學技術領域中。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 主要用于傳統的成像系統設計，如照相系統、望遠系統、顯微系統等。這一模式下，ZEMAX 以面作為對象來構建一個光學系統模型，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。許多復雜的棱鏡 系統、照明系統、微反射鏡、導光管、非成像系統或復雜形狀的物體則需采用非序列模式 來進行系統建模。這種模式下，ZEMAX以物體作為對象，光線按照物理規則，沿著自然 可實現的路徑進行追跡，可按任意順序入射到任意一組物體上，也可以重復入射

7、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對光線傳播進行更為細節 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計仿真軟件，它將實際光學系統的設計概念、優化、 分析、公差以及報表整合在一起。ZEMAX不只是透鏡設計軟件而已，更是全功能的光學 設計分析軟件， 具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優點，與其它軟件不同 的是ZEMAX 的CAD轉文件程序都是雙向的，如 IGES、 STEP、 SAT等格式都可 轉入及轉出。而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系統和非成像系 統。ZEMAX光學設計

8、程序是一個完整的光學設計軟件，是將實際光學系統的設計概念， 優化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。包括光學設計 需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學系統進行設計， 優化，分析，并具有容差能力， 所有這些強大的功能都直觀的呈現于用戶光學設計程界面中。而且工作界面簡單，快捷， 很方便的就能找到我們想喲實現的功能，ZEMAX功能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。ZEMAX能夠模擬連續和非連續成像系統及非成像系統。2物鏡設計方案消色差物鏡(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

9、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、綠波區的球差、色差，未消除剩余色差和 其他波區的球差、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。此類物鏡結構簡單， 經濟實用，常和福根 目鏡、校正目鏡配合使用，被廣泛地應用在中、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6X至30x之間，數值孔徑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

10、距，顯微物鏡的設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，也就是消色差物鏡。其總設計圖如下：圖2.1 25 X顯微鏡物鏡設計方案圖3物鏡設計與相關參數3.1物鏡的數值孔徑NA光學系統的數值孔徑（NA）是一

11、個無量綱的數，用以衡量該系統能夠收集的光的角度 范圍。在光學的不同領域，數值孔徑的精確定義略有不同。在 光學顯微鏡領域，數值孔徑 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；在光纖領域，數值孔徑則描述了光進出光纖時的錐角大小。其大小由下式決定：NA = n * sin ，其中n是被觀察物體與物鏡之間介質的折射率； a是物鏡孔徑角（2o）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。數值孔徑是光纖的非常重要參數之一，它體現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 光纖端面內的光也

12、只有部分符合特定條件的光才能在光纖中發生全內反射而傳播。由圖可 知,只有從空氣隙到光纖端面以入射角小于B入射的光線才能傳播。B實際上是個空間角，也就是說如果光從一個限制在 2B的錐形區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1/d表示。物體通過光學儀器成像時，每一物點對應有一像點，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。靠近的兩個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的分辨率。顯然，像 面上衍射圖像亮斑半徑愈大，系統的分辨率

13、則越小。瑞利（Rayleigh）提出一個推測（又稱瑞利準則）：認為當Ai衍射花樣的第一極小值正好落在 A2衍射花樣的極大值時，Ai、 A2是可以分辨的，將此時定出的兩物點距離 Ai、A2作為光學統的分辨極限。（0稱為極限 分辨角。不言而喻，當（ （時是完全可分辨的，（X （時是不可分辨的。由圓孔衍射理論得到：（=1.22入/ D 式中入一射光波長；D 射光的最大允許孔徑（透鏡直徑）。因為（很小，所以由圖2-4得：d 苗（.22 入 S / D物鏡在設計時，總是使它滿足阿貝正弦條件的，即ndsinu=n d sinu 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中，故nu各u分別為光線

14、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。考慮到顯微鏡中入射光并非都是平行光，有傾斜光線，對上式系數作適當的修正，所 以式中nsinu就是物鏡的數值孔徑，因此，上式或者寫：d=0.5入/N.A因此表明：物鏡的數值孔徑愈大，入射光的波長愈短，貝U物鏡的分辨能力愈高。在可 見光中，觀察時常用黃綠光（入4400A則可使分辨能力提高25%左右。3.3物鏡的放大倍數放大倍數是指眼睛看到像的大小與對應標本大小的比值。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、倍數越大；物鏡越長、倍數越大。例：放大倍數為100人指的是長度是1 ym的標本，放大后像的長度是100 y

15、m,要是以 面積計算，則放大了 10,000倍。顯微鏡的總放大倍數等于物鏡和目鏡放大倍數的乘積。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用，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品。基本上物 鏡是按照用途、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

16、情況 下，成象面沿軸向移動仍能保持圖象清晰的范圍。表征物鏡對應位于不同平面上目的物細 節能否清晰成象的一個性質，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為目的物所在介質的折射率，（N.A.）為物鏡的 數值孔徑，M為顯微鏡的放大倍數，則垂直鑒別率 h可由下式求出：h=n / （N.A.）.M（區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設計要求

17、參數確定按照設計要求：物鏡放大倍數為25,數值孔徑NA=0.4，通過以上幾個參數的計算, 計算出理論上的數值并確定符合數值要求的鏡片。初步確定第一個雙膠合透鏡的初始結構 由ZF3與K9組合，第二個雙膠合透鏡的初始結構由 ZF3與ZK9組合。求出雙膠合透鏡的 初始結構之后，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果，可鎖 睥去數 (説仙;Huang 重新選擇玻璃對，再重復上面的計算，達到設計要求，也可以采用自動設計程序作進一步 校正，其結果可能會更好。4顯微鏡物鏡光學系統仿真過程4.1選擇初始結構并設置參數顯微鏡物鏡的初始結構選擇如下：在用ZEMAX軟件進行設計時，將顯微鏡倒置

18、設計。設置參數如下：垂直放大率為0.05, 物方數值孔徑為0.25,物高為25mm,物方半視場高度為12.5mm。此時該系統的結構、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量還不是很好， 需要對其進行自動優化校正。脯I 汝映 g*r Hus Il-d,回抽睢擊K印求潮曲哦対聞進取i；0前詁處1陽1RadlAuafBU -匸3.US匸CoEilC3OBJSx-knjdiiiEd.IfiflBlGTll5.3590002&DflCODCIo.ooonac1-C.I33.3QQ41. ITKaOCiZF79J&13o.a&aaoci2-ii.fliMaa2.7000

19、0073244693*1. KPQcra巾Q.QQiQQQ4ft HrufiiiEii-17.022013r.soaoaoiac.nwnnm5T0ffThndACd.TnlQlCT?.H|QDDaO&66833O.Q$9DaQ4fxiirul&Ed.ll.vzsaDaa . 3B-DQ0C!ZJK94a.dDaoqEd.-.E40G2.41B773T74S17174o.floooaoDfund*Ed.-33Default Merit Function,設置 Optimization and Referenee為RMSWavefrontCentroid;最后，選擇opt按鈕進行自動優 化。自動優

20、化后，顯微鏡物鏡結構的數據如下：dkKfCditKE擁6(5 口 I 吟) S4F；OptcxiSMai nitrj(H)SLacf1: Typat-iMwnxTtiicknaiip1 HKB!biu BiowEwzCBJE-CJLTldll-CfInf 1B1T-5TI-G&.OOMQIQ2G .Q-DQDQO0 .O3QDO01-Ee23DOOa.97DOOZT7fi-LKB&DnOODOD.3Standard.-11T.iiSillSa04003*54-ndirdi1.96000ZK11D.IQQpQ9QDQD4EcuidHfd.-17.0i2D0D7.E4IM0D1D.7S9GCBn(

21、HIOOOOStudafdInfiniti/5aSt4-Tida rtfix .TiaPQgZK札 MVlf?Q7EGAJI-dlKZll12xt)E (ZoomXZJm ib an fflDETi Ifl.Ki ltd*m El SPEHIFfiilMlSFDT 工FlG底AH； CtiETME 呂PFICE舊DEC 24 2MFIELD :1RUS 郎IQIM3 tDBJ 昭DUB id .ssa&DRL IRH i2Z3EI 怎應13.W5時申EFIZE 04阿 RAYLENS.ZMXNF 工匚 U RATION 1 口 1= 1圖4.7物鏡的SPT圖由以上四個參數分析可知，所設計物鏡基

22、本符合本次設計的要求。4.7仿真參數分析原始物高設定如下：I W W U Rk-u圏橡近軸高虜U真實圖像高度使用滬視場丫-視場EYo-|010權重EX3 4 5一一廠廠|o|1,5000|0, 00000|0. ooooo1. aooo|000000|0. 00000|1.0000|o.ooooob 000001.0000 pTooodqpTooooo0. 00000|1.0000 pToOOOOpTcOODO El 55MINR H .OH& PH圖4.8視場圖最終仿真參數如下:綁 1： System DaU更:#(Update)(U設竇Setting 引打印(Print)P) Window

23、)(WJGENERAL LENS DATA:Surfaces:13Stop二9惡統土醫:入專畫徑=5Gia3a Catalogs:SCHOTT CHINAAimiiig:Off變跡:均衝統的”因子=o.oooooz+ooo有效的焦點長度:9.175754 1垂統遇曳和壓力在空氣中)有效時糠盤長變:9.175754 (在髒空SBBack Focal Length:-0.4734093:42.24588國像空醫:1.015520寓軸工作面17$:1,010382工作面附*.：1.013B39Image Space HA：0,4433144物空間HA:0_0280322光虎半徑I4.404341離錨悽高1.031S7近錨敢大