華科應光課程設計顯微鏡設計

1應用光學課程設計低倍顯微鏡設計學院： 光學與電子信息學院 專業(yè)： 光電信息工程 班級： 光電 1209 學號： U201214 姓名： . 2015 年 1 月 15 日2目錄一選題背景及參數(shù)說明 .31.1 選題背景及意義 .31.2 顯微鏡主要技術指標及說明 .4二外形尺寸計算 .42.1 顯微物鏡初始結構計算 .42.2 顯微鏡目鏡的選取 .9三系統(tǒng)的優(yōu)化 .103.1 物鏡像差容限的計算： .103.2 物鏡優(yōu)化： .103.3 目鏡優(yōu)化 .163.4 系統(tǒng)結果 .23四光學系統(tǒng)零件圖 .26五總結與心得體會 .283一選題背景及參數(shù)說明1.1 選題背景及意義光學顯微鏡（Optical Microscope，簡寫 OM）是利用光學原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細結構信息的光學儀器。顯微鏡作為一種精密的光學儀器，已有 300 多年的發(fā)展史。自從有了顯微鏡，人們看到了過去看不到的許多微小生物和事物的細小單元。不僅有能放大千余倍的光學顯微鏡，而且有放大幾十萬倍的電子顯微鏡。人類在科學史上的多次重大發(fā)現(xiàn)都離不開顯微鏡的功勞。下圖為顯微鏡結構原理圖。顯微鏡系統(tǒng)結構圖41.2 顯微鏡主要技術指標及說明顯微鏡的技術指標是根據(jù)所需要觀察的對象決定的。1、 顯微鏡的放大率由倍率公式 = 1 2=顯微鏡總放大倍率：物鏡的放大倍率， ：目鏡的放大倍率1 2選擇適宜的倍率為 -4*倍；12、 顯微鏡的機械筒長通常是標準化的，我國目前的標準為 160mm；二外形尺寸計算2.1 顯微物鏡初始結構計算顯微鏡的成像原理示意圖用 PW 法計算顯微物鏡初始結構參數(shù)具體方法如下：（1） 選型：一般選擇的顯微物鏡的共軛距離為 190mm，由于設計的是低倍顯微鏡故選擇物鏡的垂軸放大率為- 。數(shù)值孔徑為 0.1，物高為 2mm。則可列4方程組為：5= =4=19011=1解此方程求得：， ， =30.4 =38 =152（2）用 PW 法計算顯微物鏡初始結構參數(shù)具體方法如下：選擇結構型式及確定基本像差參量，低倍顯微物鏡視場很小，數(shù)值孔徑也不大，只要求校正球差、正弦差和位置色差，選取雙膠合物鏡便可滿足要求。取共軛位置的像差參量為, ，=0=0 =0必須把像差參量進行規(guī)化。已知數(shù)值孔徑 ，由于物方是空=11=0.1氣，故 ，1=1 1=1=0.13=1=0.14=0.025=11 =38（ 0.1） 130.4=0.1251=1=0.10.125=0.8則像差公式可=2=0= ()2=0= ()2=0=+1(4+1)+21(5+2)3.296=00.8+0.64(5+20.7)=+1(2+)=00.8(2+0.7)=2.1（3） 、選擇玻璃當 是較大的負值時，盡量取火石玻璃在前為宜。可以使雙膠合物鏡膠合面半徑較大，使得高級像差小一些。則=00.85(+0.2)2=3.2960.85(2.16+0.2)2=0.030646根據(jù) 和 的值，查表可選擇 F3 和 QK3 兩種玻璃組成雙膠合物鏡。再由表差0 得有關參數(shù)：，A=2.462220，B=-25.383151=1.095808C=65.4475， K=1.731110，L=-9.15655=5.1545526， =0.025670， =-0.2366020 0 0P=0.821632， =1.6164， =1.48741 2（4）求形狀系數(shù)=00 =5.154526 3.2960.030642.462220或 4.002924=6.306127=0+0+12=5.154526+(2.16+0.236602)22.46222+1 =4.043448取 Q=4.002924。（5）由 Q 求透鏡各面規(guī)化的曲率1=+ 1111=4.002924+ 1.61641.61641(1.095808)=1.1293612=+1=4.0029241.095808=2.9071163=+221 121=4.002924+ 1.48741.48741(1.095808) 11.48741=1.392859（6）由 Q 求透鏡各面規(guī)化的曲率1=1=30.41.129361=26.91782=2=30.42.907116=10.45713=3= 30.41.392859=21.8256（7）現(xiàn)將該透鏡系統(tǒng)結構數(shù)據(jù)整理如下：物距 入射光瞳 2h=7.6mm=387r d 玻璃牌號1=26.9178 1=0 F3r2=10.4571 2=0 QK33=21.8526（8） 、求厚透鏡各面的球面半徑。光學系統(tǒng)初始計算得到結果以后，必須把薄透鏡換成厚透鏡，其步驟如下：光學零件外徑的確定。根據(jù)設計要 sin 物距 ，可1=0.1 =146.5算出通光口徑 D=15.28mm。透鏡用壓圈固定，其所需余量由手冊查得余量為1.5mm，由此可得透鏡的外徑為 16.78mm。光學零件的中心厚度及邊緣最小厚度的確定。 查表可得邊厚 t=1mm，中心最小厚度 d=1.0。為了保證透鏡在加工中不易變形的條件下，其中心厚度與邊緣最小厚度以及透鏡外徑之間必須滿足一定的比例關系：對凸透鏡：高精度 3+7中精度 6+14其中還必須滿足 0.05對凹透鏡：高精度 且8+2 0.05中精度 且16+4 0.03式中，d 為中心厚度，t 為邊緣厚度。具體結構如圖所示。根據(jù)上面公式，可求出凸透鏡和凹透鏡的厚度。凹透鏡： 8+2=8=+8(21)10式中 為球面矢高，可由下式求得 1、 2=2(2)2根據(jù)圖雙膠合透鏡將已知數(shù)據(jù)代入可求得 ， 。1=1.672=4.21=+8(21)10 =3.711=1+2=6.25凸透鏡： 3+7=+3(12)10式中 為球面矢高，可由下式求得 x2、 x3=2(2)2式中 r 為折射球面半徑， D 為透鏡外徑。根據(jù)圖雙膠合透鏡將已知數(shù)據(jù)代入可求得 3=1.67然后，再將它帶入式求得凸透鏡最小邊緣厚度：=+3(32)10 = 0.086凸透鏡最小中心厚度：2=3+2=5.79在保持 u 和 u角不變的條件下，把薄透鏡變換成厚透鏡。薄透鏡變換成厚透鏡時，要保持第一近軸光線每面的 u 和 u角不變，由式 和式=(1/)2可知當 u 和 u不變時，P、W 在變換時可保持不變，放大率亦保=1持不變。當透鏡由薄變厚時，第一近軸光線在主面上入射高度不變，則光學系9統(tǒng)的光焦度亦保持不變。（9）最終可得物鏡：r d 玻璃牌號1=26.9178 1=6.25 F3r2=10.4571 2=5.79 QK33=21.85262.2 顯微鏡目鏡的選取目鏡放大率選取為 20 左右，焦距 fe=250/=250/20=12.85 。查閱光學設計手冊 P282，根據(jù)所需參數(shù)選取目鏡 2-02：選用的玻璃分別為 BK7,BK7 和 F510三系統(tǒng)的優(yōu)化3.1 物鏡像差容限的計算：根據(jù)之前的計算，已基本得到了雙膠合物鏡的初始結構參數(shù)?，F(xiàn)在我們知道：物距：38mm，入瞳直徑： 7.6mm。因為入瞳在物鏡上，所以第一面為 STO 面，各面曲率半徑已知。1） 焦距 3031mm 為合格；2） 放大倍率-3.85-4.25 為合格3）像差容限i)球差：根據(jù)瑞利判斷準則，系