工程光學課程設計設計名稱：工程光學課程設計院系名稱：電氣與信息工程學院專業班級：學生XX：學號：指導教師：工程學院教務處制2013年12月

工程光學課程設計評分表題目名稱25x顯微物鏡實習時間2013年12月23日至2013年12月31日共2周實習地點實驗樓513設汁報告得分序號評價項目滿分得分1應用文獻資料能力及綜合運用知識能力2設計說明書撰寫水平；插圖質量3設計（實驗）能力及創新性設計報告得分總計實物制作效果評語：指導教師簽字：年月日學生XX班級學號平時表現（20分）答辯（20分）綜合評定得分實習成績(6069)和不及格(少于60分)五級給出。<-??—?<->*-*<->*-*—、、ZEMAX軟件介紹美國ZEMAXDevelopmentCorporation研發ZEMAX是一套綜合性的光學設計軟件，集成了光學系統所有的概念、設計、優化、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，

分別針對成像系統和非成像系統。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。在一些較為復雜的光學系統中，可以同時使用序列和非序列光線追跡。根據需要，可以采用序列光學表面與任意形狀、方向或位置的非序列組件進行結合，共同形成一個系統結構。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。其總設計圖如圖1所示。圖125x顯微鏡物鏡設計方案圖1、 物鏡的數值孔徑物鏡的數值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質之一，增強物鏡的聚光能力可提高物鏡的鑒別率。數值孔徑通常以符號“NA”表示(即NumericalAperture)。根據理論的推導得出：NAnsinu式中n—物鏡與觀察之間介質的折射率；u——物鏡的孔徑半角。因此，有兩個提高數字孔徑的途徑：增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距，以增大孔徑半角u。此法因導致象差增大及制造困難，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生衍射現象來解釋。物體通過光學儀器成像時，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系統分辨。其分辨率為a0.61九0.61九C= = =PnsinuNA根據道威（Doves）判斷，兩個相鄰像點之間的兩衍射斑中心距為0.85a時，則能被光學系統分辨。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系推出：設眼睛容易分辨的角距離為2'4'，則在明視距離上對應的線距離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值孔徑及入射光波長決定。4、實際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。四、25x四、25x顯微鏡物鏡光學系統仿真過程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顯微鏡物鏡初始結構圖在用ZEMAX軟件進彳丁設計時，將顯微鏡倒置設計。設置參數如下：物方數值孔徑為0.016，物高為25mm，物方半視場高度為12.5mm。此時該系統的結構、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化校正。圖3初始結構各參數仿真圖2、自動優化首先，建立自動優化函數。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,設置0ptimizationandReference為RMS~Wavefront~Centroid；最后,選擇確定按鈕進行自動優化。自動優化后,顯微鏡物鏡結構的數據如下：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、最終仿真參數分析UseX-Field圖4顯微鏡物鏡優化結構圖圖5自動優化后各參數仿真圖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「統一的「醫子= 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 ：近軸戰丈率：入匝食輕Z入晅區域:入晅宜徑入晅直徑區域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：物方數值孔徑NA=0.3721605，與要求的0.4很接近；初始設定的物高為12.5,仿真得像高為0.498,則放大倍數m=25.1,與要求的放大倍數25倍十分接近。最終的仿真參數基本符合設計的要求。設計總結在課程設計剛開始的時候，對于ZEMAX軟件我也是沒有接觸過，第一個任務是安裝軟件，學習軟件。從網上查詢資料，去圖書館查閱相關書籍，到對軟件以及設計的過程有了初步了解，首次認識就要利用它來設計，感覺是件很困難的事。在后來的不斷實踐中，在學習使用軟件的過程中，對這次設計的概念越來越清晰，初步掌握了對于軟件優化過程中的一些小技巧，比如說設置不同的鏡片為孔闌得到的結果