望遠(yuǎn)鏡顯微鏡組裝與設(shè)計和zemax使用光學(xué)課程設(shè)計教材

1、長沙學(xué)院 光 學(xué) 工 程 CAD 設(shè) 計 課程設(shè)計說明書 題 目 光學(xué)課程設(shè)計 系 （ 部 ）電子與電氣工程系 專 業(yè) （ 班 級 ） 光電信息工程（ 2013 級 2 班） 姓名 學(xué)號 指 導(dǎo) 教 師 孫利平、周遠(yuǎn)、譚志光、劉莉 起 止 日 期2015.6.22 2013.6.25 長沙學(xué)院課程設(shè)計鑒定表 姓名 學(xué)號 2013041216 專業(yè) 光電信息工程 班級2 班 設(shè)計題目 光學(xué)課程設(shè)計 指導(dǎo)教師 孫利平、周遠(yuǎn)、譚志光、劉莉 指導(dǎo)教師意見： 評定成績： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見： 評定成績： 答辯小組長簽名： 日期： 教研室意見： 最終評定等級： 教研室主任簽名： 日期： 課程

2、設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格” 說明 五等。 目錄 一、望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與組裝 3 1、項目設(shè)計目的 3 2、望遠(yuǎn)鏡的基本原理 3 3、設(shè)計任務(wù) 4 設(shè)計與組裝一個開普勒望遠(yuǎn)鏡 4 設(shè)計與組裝一個伽利略望遠(yuǎn)鏡 4 設(shè)計和組裝一個帶正像系統(tǒng)的開普勒望遠(yuǎn)鏡 4 4、數(shù)據(jù)記錄 4 （1）測得透鏡焦距 4 （2）開普勒望遠(yuǎn)鏡的組裝 4 （3）開普勒望遠(yuǎn)鏡特性參數(shù)測量 4 5、照片展示 5 6、可用器材 5 二、顯微鏡的設(shè)計與組裝 6 1、項目設(shè)計目的 6 2、望遠(yuǎn)鏡的基本原理 6 3、顯微鏡的設(shè)計及數(shù)據(jù)記錄 7 視放大率 7 系統(tǒng)總長度不能大于光學(xué)平臺的長度 7 要給出設(shè)計值

3、和實測值 7 用手機(jī)拍一幅從目鏡后拍出的微尺放大圖 7 4、設(shè)計思路 8 5、可用器材 8 三、Zemax的光學(xué)設(shè)計 8 1、選定光學(xué)設(shè)計題目 8 2、學(xué)習(xí) zemax的使用 8 3、使用 zemax軟件設(shè)計光學(xué)器件 10 設(shè)計單透鏡 10 設(shè)計牛頓望遠(yuǎn)鏡 12 設(shè)計施密特 -卡塞格林系統(tǒng) 14 結(jié)束語 16 參考文獻(xiàn) 16 、望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與組裝 1、項目設(shè)計目的 掌握望遠(yuǎn)鏡的原理及特性，并在此基礎(chǔ)上通過自組望遠(yuǎn)鏡來提高學(xué)生的動手能力以進(jìn) 一步加深對望遠(yuǎn)系統(tǒng)的理解。 2、望遠(yuǎn)鏡的基本原理 存在兩類最簡單的望遠(yuǎn)鏡，分別為開普勒望遠(yuǎn)鏡的伽利略望遠(yuǎn)鏡。 開普勒望遠(yuǎn)鏡是由一片長焦距的凸透鏡作為物鏡，用

4、一短焦距的凸透鏡作為目鏡組合 而成，如下圖。 遠(yuǎn)處的物經(jīng)過物鏡在其后焦面附近成一縮小的倒立實像，物鏡的像方焦平面與目鏡的 物方焦平面重合，光學(xué)間距為 0。在公共焦平面上可置分劃板以測量像的尺寸和位置。平 行光射入平行光射出。開普勒望遠(yuǎn)鏡可觀測到遠(yuǎn)處倒立的像。 伽利略望遠(yuǎn)鏡是由一片長焦距的凸透鏡作為物鏡，用一短焦距的凹透鏡作為目鏡組合 而成，如下圖。 物鏡的像方焦平面與目鏡的物方焦平面重合， 光學(xué)間距為 0。平行光射入平行光射出 伽利略望遠(yuǎn)鏡可觀測到遠(yuǎn)處正立的像。 兩種望遠(yuǎn)鏡的視放大率都可表示為： 式中為物鏡焦距，為目鏡焦距，為入瞳口徑，為出瞳口徑。兩種望遠(yuǎn)鏡物鏡均為正透 鏡，即，開普勒望遠(yuǎn)鏡目

5、鏡為凸透鏡，即，故開普勒望遠(yuǎn)鏡的視放大率，即成倒像。伽利 略望遠(yuǎn)鏡目鏡為凹透鏡，即，故伽利略望遠(yuǎn)鏡的視放大率，即成正像。 3、設(shè)計任務(wù) 設(shè)計與組裝一個開普勒望遠(yuǎn)鏡，要求： =20.3x； 公共焦平面上置分劃板； 需用一定方法測量物鏡和目鏡的較精確焦距值； 要求測出其入瞳口徑 D ，出瞳口徑 D ，視放大率 ，出瞳距 lp； 拍系統(tǒng)照片、通過望遠(yuǎn)鏡觀察的標(biāo)尺照片。 設(shè)計與組裝一個伽利略望遠(yuǎn)鏡，要求： =20.3x； 需用一定方法測量物鏡和目鏡的較精確焦距值； 拍系統(tǒng)照片、通過望遠(yuǎn)鏡觀察的標(biāo)尺照片。 設(shè)計和組裝一個帶正像系統(tǒng)的開普勒望遠(yuǎn)鏡。 =20.3x； 拍系統(tǒng)照片、通過望遠(yuǎn)鏡觀察的標(biāo)尺照片。

6、4、數(shù)據(jù)記錄 1）測得透鏡焦距 1 2 3 平均 開普勒 物鏡 1 目 鏡2 伽利略 物鏡 1 鏡2 2）開普勒望遠(yuǎn)鏡的組裝 物鏡與目鏡之間的 距離 物鏡與分劃板間的 距離 目鏡與分劃板間的 距離 開普勒 21.1cm 14.6cm 6.5cm 伽利略 3）開普勒望遠(yuǎn)鏡特性參數(shù)測量 內(nèi)容 次數(shù) D| D l 1 2 3 平均值 5、照片展示 6、可用器材 光學(xué)平臺、磁力卡座、鏡架、未知焦距的正透鏡若干、未知焦距的負(fù)透鏡若干、分劃 板、雙波羅棱鏡、標(biāo)尺、米尺、平行光管、接收屏、讀數(shù)顯微鏡、游標(biāo)卡尺、分劃板。 可用透鏡參數(shù)（單位： mm）： 300；225；190；150；70；50；45；29；

7、-150；-100 、顯微鏡的設(shè)計與組裝 1、項目設(shè)計目的 掌握顯微鏡的原理及特性，并在此基礎(chǔ)上通過自組顯微鏡來提高學(xué)生的動手能力以進(jìn) 一步加深對顯微系統(tǒng)理解。 2、望遠(yuǎn)鏡的基本原理 顯微鏡由物鏡和目鏡組成，特點是物鏡的焦距很短。顯微鏡的原理示意如下圖 從圖中可見，顯微鏡由物鏡及目鏡構(gòu)成，顯微鏡的特點是有較大的光學(xué)間隔且其物鏡 的焦距不大，目鏡的焦距也比較小。被觀測的物體首先經(jīng)顯微鏡的物鏡放大后其像再經(jīng)目 鏡放大以供人眼觀察，其成像過程是一個二次成像過程。其系統(tǒng)放大率為： 物目 式中 物為物鏡垂軸放大率， 目= 25f0 為目鏡焦距。在此成像過程中，有一個實像 f目 面位于分劃面上，故可以實現(xiàn)

8、測量。 顯微鏡視放大率的測量原理如下圖所示。使待檢顯微鏡對承物臺上的標(biāo)準(zhǔn)玻璃刻尺 1 調(diào)焦，在垂直光軸方向于明視距離處安放另一刻尺 2，并用光源同時照明兩個刻尺。此時 人眼可同時看清兩刻尺的像，并將二者消視差，在視場中讀取刻尺 1 的像與刻尺 2 齊合的 讀數(shù) M 及 N，則采用下式即可求得顯微鏡的視覺放大率： N2 M1 其中和分別為刻尺 1 及刻尺 2 的格值 3、顯微鏡的設(shè)計及數(shù)據(jù)記錄 選定兩個一定焦距的正透鏡作為物鏡和目鏡，設(shè)計一個顯微鏡，要求為： 視放大率； 系統(tǒng)總長度不能大于光學(xué)平臺的長度； 要給出設(shè)計值和實測值，如下表 物鏡 焦距 fo 目鏡焦 距 fe 物鏡和 目鏡間 的間距

9、d 待觀測物 到物鏡距 離l 物鏡 垂軸 放大 率 目鏡視 放大率 e 出瞳 口徑 出瞳距離 設(shè)計值 29mm 150mm 353mm 33.83mm 6mm 1.67mm 31.72 mm mm 260.84mm 實測值 29mm 150mm 357mm 37.21mm 用手機(jī)拍一幅從目鏡后拍出的微尺放大圖 4、設(shè)計思路 根據(jù)視放大率要求選定物鏡和目鏡的焦距； 可用透鏡參數(shù)(單位： mm)：300；225；190；150；70；50；45；29；25；-150；-100 光學(xué)平臺長度 1.3 米。 算出待觀測物到物鏡距離； 算出物鏡和目鏡間的間距； 算出物鏡的垂軸放大率、目鏡視放大率； 量出

10、物鏡通光口徑，算出出瞳口徑及出瞳距； 5、可用器材 可提供的實驗器具：光學(xué)平臺，照片光源，鈉燈，微尺( 1/10mm)，毫米尺，透鏡若 干，底座若干，透鏡架若干，調(diào)節(jié)架若干， 45半折半反鏡片。 三、 Zemax 的光學(xué)設(shè)計 1、選定光學(xué)設(shè)計題目 課程 1：單透鏡( a singlet) 課程 2：牛頓望遠(yuǎn)鏡( a newtonian telescop)e 課程 3：帶有非球面矯正器的 施密特 -卡塞格林系統(tǒng)( Schmidt-Cassegrain) 2、學(xué)習(xí) zemax 的使用 打開 zemax軟件，設(shè)置入瞳孔徑 (ctrl+G)和波長 (ctrl+W) 設(shè)置鏡片厚度( Thickness)

11、、鏡片類型(Glass)、曲率半徑( Radius)、半口徑( Semi-Diameter) 設(shè)置評價函數(shù) (EditorsMerit Function Editor-Tools-Default Merit Function.) 最佳化調(diào)試( Tools-Optimization-Automatic )，完成后選擇 System，然后點擊 Update All， 刷新圖形。 3、使用 zemax 軟件設(shè)計光學(xué)器件 設(shè)計單透鏡 設(shè)計一個 F/4 的鏡片，焦距為 100mm，在軸上可見光譜范圍內(nèi)，用 BK7 玻璃。 首先，運行 ZEMAX 。ZEMAX 主屏幕會顯示鏡片數(shù)據(jù)編輯（ LDE ）。你可

12、以對 LDE 窗口進(jìn)行移動或重新調(diào)整尺寸，以適合你自己的喜好。 LDE 由多行和多列組成，類似于電 子表格。半徑、厚度、玻璃和半口徑等列是使用得最多的，其他的則只在某些特定類型的 光學(xué)系統(tǒng)中才會用到。 LDE 中的一小格會以“反白”方式高亮顯示，即它會以與其他格子不同的背景顏色將 字母顯示在屏幕上。 如果沒有一個格子是高亮的， 則在任何一格上用鼠標(biāo)點擊， 使之高亮。 這個反白條在本教程中指的就是光標(biāo)。你可以用鼠標(biāo)在格子上點擊來操縱 LDE ，使光標(biāo)移 動到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光標(biāo)鍵。 LDE 的操作是簡單的，只要稍加練 習(xí)，你就可以掌握。 開始，我們先為我們的系統(tǒng)輸入波長。這不

13、一定要先完成，我們只不過現(xiàn)在選中了這 一步。在主屏幕菜單條上，選擇“系統(tǒng)（ System）”菜單下的“波長（ Wavelengths）”。 屏幕中間會彈出一個“波長數(shù)據(jù)（ Wavelength Data）”對話框。 ZEMAX 中有許多這樣 的對話框，用來輸入數(shù)據(jù)和提供你選擇。用鼠標(biāo)在第二和第三行的“使用（Use）”上單 擊一下，將會增加兩個波長使總數(shù)成為三?，F(xiàn)在，在第一個“波長”行中輸入486，這是 氫（ Hydrogen） F 譜線的波長，單位為微米。 ZEMAX 全部使用微米作為波長的單位。現(xiàn)在，在第二行的波長列中輸入 587，最后在 第三行輸入 656。這就是 ZEMAX 中所有有關(guān)輸

14、入數(shù)據(jù)的操作，轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，然后鍵 入數(shù)據(jù)。在屏幕的最右邊， 你可以看到一列主波長指示器。 這個指示器指出了主要的波長， 當(dāng)前為 486 微米。在主波長指示器的第二行上單擊，指示器下移到 587 的位置。主波長用 來計算近軸參數(shù)，如焦距，放大率等等。 權(quán)重（Weight）”這一列用在優(yōu)化上，以及計算波長權(quán)重數(shù)據(jù)如 RMS 點尺寸和 STREHL 率?，F(xiàn)在讓所有的權(quán)為 1.0，單擊 OK 保存所做的改變，然后退出波長數(shù)據(jù)對話框。 現(xiàn)在我們需要為鏡片定義一個孔徑。這可以使 ZEMAX 在處理其他的事情上，知道每 一個鏡片該被定為多大。 由于我們需要一個 F/4 鏡頭，我們需要一個 25mm 的孔

15、徑（100mm 的焦距除 F/4）。設(shè)置這個孔徑值，選擇“系統(tǒng)”中的“通常（ General）”菜單項，出現(xiàn) “通常數(shù)據(jù)（ General Data）”對話框，單擊“孔徑值（ Aper Value）”一格，輸入一個值： 25。注意孔徑類型缺省時為“入瞳直徑（ Entrance Pupil Diameter）”，也可選擇其他類型 的孔徑設(shè)置。除此之外，還要加入一些重要的表面數(shù)據(jù)。 ZEMAX 模型光學(xué)系統(tǒng)使用一系 列的表面，每一個面有一個曲率半徑，厚度（到下一個面的軸上距離），和玻璃。一些表 面也可有其他的數(shù)據(jù)，我們以后將會討論到。注意在 LDE 中顯示的有三個面。物平面， 在 左邊以 OBJ

16、表示；光闌面，以 STO 表示；還有像平面，以 IMA 表示。對于我們的單透鏡 來說，我們共需要四個面：物平面，前鏡面（同時也是光闌面），后鏡面，和像平面。要 插入第四個面，只需移動光標(biāo)到像平面 （最后一個面）的“無窮（ Infinity ）”之上，按INSERT 鍵。這將會在那一行插入一個新的面，并將像平面往下移。新的面被標(biāo)為第2 面。注意物 體所在面為第 0面，然后才是第 1（標(biāo)上 STO是因為它是光闌面），第 2和第 3面（標(biāo)作 IMA ）。 現(xiàn)在我們將要輸入所要使用的玻璃。移動光標(biāo)到第一面的“玻璃（ Glass）”列，即在 左邊被標(biāo)作 STO的面。輸入“ BK7”并敲回車鍵。 ZEMA

17、X 有一個非常廣泛的玻璃目錄可 用。所有我們需要做的僅僅是決定使用“ BK7”， ZEMAX 會去查找我們所定的玻璃并計 算每一個波長的系數(shù)。 由于我們需要的孔徑是 25mm，合理的鏡片厚度是 4mm。移動光標(biāo)到第 1 面（我們剛 才輸入了 BK7 的地方）的厚度列并輸入“ 4”。注意缺省的單位是毫米。其他的單位（分 米，英寸，和米）也可以。 設(shè)計牛頓望遠(yuǎn)鏡 牛頓望遠(yuǎn)鏡是最簡單的用來矯正軸上像差的望遠(yuǎn)鏡，而且它對于闡明 ZEMAX 的一些 基本操作非常有用。首先，牛頓望遠(yuǎn)鏡是由一個簡單的拋物線形鏡面組成的，而且除此之 外別無它物。拋物線很好地矯正了所有階的球差，由于我們只將望遠(yuǎn)鏡使用在軸上系統(tǒng)

18、， 所以根本就沒有其他的像差。 為了重新開始， 先關(guān)閉除了 LDE 外的所有窗口， 選擇“File”， “New”。 假設(shè)我們需要一個 1000mm F/5的望遠(yuǎn)鏡，這暗指需要一個曲率半徑為 2000mm的鏡面， 和一個 200mm 的孔徑。移動光標(biāo)到第一面，即光闌面的曲率半徑列，輸入 -2000.0，負(fù)號 表示為凹面?，F(xiàn)在在同一個面上輸入厚度值 -1000，這個負(fù)號表示通過鏡面折射后，光線將 往“后方”傳遞?，F(xiàn)在在同一面的 “Glass”列輸入 “MIRROR ”，選擇 “System”，“General”，然 后在“通用數(shù)據(jù)對話框（General Data Dialog Box）”中輸入一

19、個 200的孔徑值，并單擊“OK ”。 ZEMAX 使用的缺省值是波長 550，視場角 0，這對于我們的目標(biāo)來說是可接受的?，F(xiàn) 在打開一個圖層窗口，光線顯示了從第一面到象平面的軌跡，此時象平面在鏡面的左邊。 如果你現(xiàn)在演示一個標(biāo)準(zhǔn)的點列圖（拉下“Analysis”菜單，選擇 “Spot Diagrams”，再選 “Standard”或鍵入“Ctrl-S”），你將會看到一幅 RMS 為 77.6微米的點列圖。評定像質(zhì)的一 種較為簡便的方法是將艾利（ Airy ）衍射斑加到點列圖的頂部。進(jìn)行此操作，可從點列圖 的菜單條選擇 “Setting”，在“Show Scale”選項中選擇 “Airy Di

20、sk ”，然后單擊 “OK”，所得的 點列圖如圖所示。 所列的 RMS 點的尺寸是 77.6 微米，光線并沒有達(dá)到衍射極限的原因是我們還沒有輸 入圓錐常量。我們原先所輸入的 2000 這個曲率半徑只是定義了一個球形，我們需要一個 錐形常量 -1 來定義拋物線。在第一面的 “Conic”列輸入 -1，敲回車，現(xiàn)在選 “System”，“Update” 菜單項刷新所有的窗口，在更新后的點列圖上，你可以看到有一小簇的光線在六角環(huán)帶的 中心， RMS 點尺寸是 0。 很不幸，這個高像質(zhì)的圖象所處的位置并不好。由于像處在入射光路的光程中，圖象 無法接收。這通常在主鏡面后安放一個轉(zhuǎn)折光線用的反射面來調(diào)整，

21、反射鏡面以 45 度的 角度傾斜，將像從光軸上往外轉(zhuǎn)出來。為了使用轉(zhuǎn)折面，我們首先必須定下它該安放在哪 兒。由于入射的光束為 200mm 寬，我們所需要的像平面至少要離開光軸 100mm。我們選 擇 200mm，因此折疊鏡面必須距主反射面有 800mm。 先從改變第一面的厚度著手，將之改為 -800mm?，F(xiàn)在移動光標(biāo)到像平面，按 Insert 在 主面與像平面之間插入一個虛構(gòu)的面。新的面很快會被轉(zhuǎn)換為折疊面。虛構(gòu)面的作用只是 簡單地用來安放折疊鏡面。 在新的虛構(gòu)面上輸入一個 -200 的厚度值，保持鏡面到像平面的總距離為 -1000.0。 現(xiàn)在單擊 “Tools”，“Add Fold Mirr

22、or ”，然后設(shè)置 “Fold Surface”為 2，單擊 “OK ”，所得的電 子表格會被顯示出來，而且會與下表相似(為了清楚起見，有些列已被省略)。 現(xiàn)在我們可以看看我們的新的折疊式牛頓反射鏡系統(tǒng)。先前所使用的圖將不再起作用 (它只對旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)有作用)，取而代之的是 3 維圖形，可通過 “Analysis”，“Layout”， “3D Layout”菜單來得到。 一旦三維圖形顯示出來， 即可用左、 右、上、下、Page Up和 Page Down 鍵來控制圖形的旋轉(zhuǎn)。 ZEMAX 允許圖形的交互式旋轉(zhuǎn)。顯示了一種可能的投影。 這個設(shè)計投影圖可用多種方法完善。首先，光線從物體到鏡面可被顯

23、示出來。還有， 落在折疊鏡面后面的光線應(yīng)該被攔去， 且不允許它落在像平面上。 這對于真正的系統(tǒng)來說， 是非常重要的，因為光線在通常的光學(xué)系統(tǒng)中，不可能物理地穿過反射鏡。 首先，我們將光標(biāo)停在第一面，在光闌前加入一個虛構(gòu)的面。現(xiàn)在使得虛構(gòu)面的厚度 為 900mm ，雙擊第一面的 “Standard”，在對話框中為孔徑類型選擇圓形遮攔(“Circular Obscuration”)，在光束中安放一個 “遮攔( Obscuration)”，這樣就考慮到了折疊反射鏡阻 擋了一些光束。為 “最大半徑( Max Radius)”輸入 40，然后單擊 OK，再更新 3 維圖。系 統(tǒng)現(xiàn)在如圖 E3-3所示，看

24、上去更為實際。 如果不是所有的表面都是可見的， 選擇“Setting”， 然后將第一面和最后一面的選項分別改為 1和6，或單擊“Reset”，然后按 “OK”。 此處描述的過程，就是所有使用折疊反射鏡所要注意的。坐標(biāo)斷點除了反射鏡以外， 也可用在 TIP、傾斜和偏心光學(xué)部件上。完整的光學(xué)部件可以被移動，可參考ZEMAX 所 附帶的一些設(shè)計舉例 設(shè)計施密特 -卡塞格林系統(tǒng) 如圖設(shè)置 Lens Data Editor。 采用 10 英寸的孔徑， 10 英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點）。由于只有矯正板和 主反射面，進(jìn)行這個設(shè)計是比較簡單的，因此我們開始時先在光闌后插入兩個面。選擇 “SYSTEM”

25、， “GENERAL ”，輸入 10 作為 孔徑值。在同一個屏 幕上，將單位 “毫米 （Millimeters ） ”改為“英寸（ Inches）”。 選擇“SYSTEM ”，“WAVELENGTHS ”，得到“波長數(shù)據(jù)”屏幕，設(shè)置 3個波長：486，587， 和 656，其中 587 為主波長。這些步驟可以用一個操作來完成：單擊波長對話框底部的 “選 擇（ Select-） ”按鈕 現(xiàn)在，我們將使用缺省的視場角 0 度，在下表的表格中輸入數(shù)據(jù)。光闌被放在主面曲 率半徑的中心，這是為了排除視場像差（如彗差），它是 Schmidt 設(shè)計的特點 觀察 Layout 圖形和 MTF 圖形 MTF 圖