徐建宇2011153420顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)

1、文檔大 連 民 族 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)學(xué) 院（系）：物理與材料工程學(xué)院 專業(yè)：光電子技術(shù)科學(xué)學(xué) 生 姓 名：徐建宇學(xué)號： 2011153420指 導(dǎo) 教 師：蘆永軍評 閱 教 師：鳳陽完 成 日 期：2015-5-30民族學(xué)院文檔摘要普通顯微鏡基本包括物鏡和目鏡，物鏡對于顯微鏡來說有著非常重要的意義，顯微鏡能夠清楚的觀察到像都離不開物鏡的作用。光學(xué)設(shè)計(jì)中可以用像差理論、ZEMAX優(yōu)化獲得近于真實(shí)成像的雙膠合透鏡。一般的透鏡色差、球差、正弦差不能同時(shí)滿足條件， 而本論文設(shè)計(jì)的由兩個(gè)雙膠合透鏡組合的方法可以有效的消除像差。通過設(shè)計(jì)目標(biāo)，選 擇符合要求的的物鏡的鏡

2、頭數(shù)據(jù)。然后使用 ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件驗(yàn)證結(jié)論、優(yōu)化鏡頭數(shù) 據(jù)，最后使物鏡滿足設(shè)計(jì)要求。論文主要包括了顯微鏡的歷史、ZEMAX光學(xué)應(yīng)用軟件的簡介、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論、顯微鏡物鏡光學(xué)追記手工計(jì)算、 ZEMAX軟件驗(yàn)證和優(yōu) 化。關(guān)鍵詞：物鏡；光學(xué)設(shè)計(jì)；顯微鏡；像差； ZEMAX文檔AbstractThe microscope contains eyepiece and object glass，Objective for microscope has very important significance .Microscope can clearly observed as is inse

3、parable from the objective function .Aberration theory can be used in Optical design， ZEMAX can obtain Real imaging of Double agglutination lens.The general aberration、 Spherical aberration、Poor sinusoidal cant At the same time satisfy the conditions，And design of this paper consists of two double a

4、gglutination lens combination method can effectively eliminate the aberration.Through the design goals, choose to meet the requirements of the objective Then use ZEMAX optical design software validation conclusion, optimization of the lens data, finally to meet the design requirements of the objecti

5、ve lens data Paper mainly includes the history of the microscope, the introduction of ZEMAX optical application software, the basic theory of the optical system design, and optical microscope objective lens progress of manual calculation, ZEMAX software validation and optimization.Key Words ： object

6、ive ；optical design ；microscope; aberration; ZEMAX目錄文檔摘 要 I. .Abstract I.I. .1 緒 論 12 ZEMAX 簡介 23 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理 33.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 33.2 顯微鏡物鏡分類 33.3 初級相差理論 54 雙膠合望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡手工計(jì)算 64.1 雙膠合望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡的推導(dǎo)公式 64.3 系統(tǒng)焦距求解 95 ZEMAX 驗(yàn)證初始參數(shù)及優(yōu)化 105.1 初始結(jié)構(gòu)參數(shù) 105.3 視場角度設(shè)定 115.4設(shè)計(jì)主要波長設(shè)定 125.5鏡頭參數(shù)設(shè)定 135.6 通過 ZEMAX 進(jìn)行透鏡組合的優(yōu)化設(shè)計(jì) 15結(jié) 論

7、 19參考文獻(xiàn) 20致 謝 21文檔文檔1 緒 論人工玻璃是人類發(fā)現(xiàn)并且制造最早的光學(xué)元器件。在公元前一世紀(jì) , 當(dāng)時(shí)的人們能 夠使用類似于球裝的原件來來使小的物體能放大成像 , 更好的便于人們觀察。然后逐漸 學(xué)會(huì)使用球形玻璃放大器使物體放大的成像法。 光學(xué)鏡片的早在中國公元前就已經(jīng)發(fā)明 了。但是對于當(dāng)時(shí)制造技術(shù)來講，很難達(dá)到好的成像的質(zhì)量。因?yàn)橄胍玫某上竦馁|(zhì)量 就必須解決一片鏡頭的弊端， 而對于一片鏡頭的弊端就是系統(tǒng)整體的直徑受到焦距和放 大倍率的嚴(yán)格限制，還有加工行業(yè)的技術(shù)要求都很難達(dá)到效果比較好的光學(xué)系統(tǒng)。對于 當(dāng)時(shí)的人來說想要達(dá)到更大的放大倍率就必須另辟蹊徑，找到更好的方法是尤為重要

8、 的。在 16 世紀(jì)的結(jié)束 , 關(guān)于荷蘭眼鏡商杰森和他的兒子把透鏡放入缸 , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)缸看到 驚人附近的對象 , 這是現(xiàn)在的前任顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。這時(shí)候就有人發(fā)現(xiàn)了使用兩個(gè)鏡片 結(jié)合的方式就會(huì)大大提高成像的質(zhì)量， 自此人們有逐漸的研究和嘗試了不同透鏡的組合 的方式，大大推動(dòng)夠了光學(xué)行業(yè)的發(fā)展。復(fù)合顯微鏡性能優(yōu)于單一的顯微鏡，有了復(fù)式 顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，對于顯微鏡的發(fā)展有的極其重要的價(jià)值。另外，相對于單一的透鏡組合 復(fù)式顯微鏡有這相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，加工起來也會(huì)更加的容易，生產(chǎn)過程相對簡單 , 不需 要磨一個(gè)小鏡頭。自從有了這種組合形式的顯微鏡的發(fā)明，微觀世界的概念也逐漸被人 們所認(rèn)識，人們開始知道原來在

9、肉眼不可見的部分還有我們所不知道的世界存在，同時(shí) 也促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的研究。 雖然說但是的透鏡組合形式的顯微鏡有著明顯的優(yōu)勢但是對于但 是的人們來說還是很難的去接受和認(rèn)識到這一點(diǎn)， 這也導(dǎo)致了在這段時(shí)期顯微鏡發(fā)展的 還是相對比較緩慢的， 另外由于但是理論技術(shù)不夠成熟， 色差也成了一個(gè)比較大的障礙， 一段時(shí)間不能的到人們的重視 。由于不重視 ,18 世紀(jì)復(fù)合顯微鏡發(fā)展緩慢 , 但仍取得了一 些美麗的顯微鏡。由于當(dāng)時(shí)的制造業(yè)還不能像現(xiàn)在這么發(fā)達(dá)，所以對于顯微鏡的外觀上 都幾乎千篇一律，沒有什么太多的差別，基本上所有的外殼都是用木制的，木制的外殼 同樣也有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 在英國，有一位專注與研究顯微鏡

10、技術(shù)的工程師 JohnCuff 靠著自己多年的理論知識和研究成果獨(dú)創(chuàng)了全新的顯微鏡，在接下來的一段日子里，越 來越多的人開始熟悉使用和學(xué)習(xí)這種顯微鏡，這種顯微鏡的到了很好的發(fā)展，它們統(tǒng)稱 為袖口顯微鏡。19世紀(jì), 進(jìn)入了工業(yè)時(shí)代的人們也沒有忘記對顯微鏡技術(shù)的發(fā)展 , 由于工 業(yè)革命大大的提高的制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 使得光學(xué)系統(tǒng)的透鏡的合格率也有了顯著的提 高。各種各樣的新技術(shù)也出現(xiàn)了。進(jìn)入了計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之后，可以在顯示屏上直觀 的更好的經(jīng)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，這對于任何一門技術(shù)的發(fā)展都有著重要的影響，有了快 的計(jì)算的技術(shù)，加快了生活的節(jié)奏，到同時(shí)也使得各項(xiàng)技術(shù)加速發(fā)展，顯微鏡技術(shù)在這 種大的環(huán)境

11、之下也顯著提高。文檔本篇論文主要是設(shè)計(jì)顯微鏡物鏡的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX經(jīng)行數(shù)據(jù)分析，建立初始的模型結(jié)構(gòu)，通過光學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求對顯微鏡物鏡進(jìn)行光線追記，分析并且 優(yōu)化初始選定的光學(xué)鏡片的結(jié)構(gòu)模型， 然后通過理論計(jì)算的方法進(jìn)一步的確定優(yōu)化后的 鏡片的合理性和可行性。物鏡是顯微鏡的眾多儀器件中的不可或缺的重要的組成部分， 可以說是物鏡設(shè)計(jì)的好壞直接影響到顯微鏡的成像效果。 本文所設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡是通 過兩組鏡片的結(jié)合而組成的一個(gè)組合的透鏡， 通過組合透鏡的方法可以做到盡量的減小 用一個(gè)透鏡所不能達(dá)到的較好的成像效果，對于顯微鏡物鏡而言，成像的效果是尤為重 要的，因?yàn)轱@微鏡多數(shù)情況下都是

12、用來觀察人的肉眼所不可見的微小物體的，試想一下 如如果沒有好的成像質(zhì)量那么對于微小物體的觀察是非常不利的。 所以通過透鏡組合的 方法在光學(xué)設(shè)計(jì)中經(jīng)常被用到的。另外顯微鏡的之所以能夠?qū)崿F(xiàn)放大的功能，其主要也 歸功于物鏡，所以對于顯微鏡物鏡初始結(jié)構(gòu)的選擇是本次設(shè)計(jì)的重中之重。2 ZEMAX 簡介學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計(jì)最好上手的就是 ZEMAX 軟件，對于該軟件來說，你只需要掌握基本 的光學(xué)基礎(chǔ)知識，像差理論，就可以設(shè)計(jì)出比較好的鏡頭，如果再結(jié)合像差理論和多年 的鏡頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)成為好的光學(xué)設(shè)計(jì)師。 ZEMAX 軟件界面友好，資料豐富容易上手，既 可以直接選擇，又可以根據(jù)用戶的需求自定義結(jié)構(gòu)。可以通過該軟件經(jīng)行對

13、光學(xué)鏡頭數(shù) 據(jù)的分析和初步的光線追記，清楚的展示在界面之上?？山⑵皴兡ず蜏囟葰鈮旱确?面的分析。軟件部提供了強(qiáng)大的計(jì)算分析能力和默認(rèn)的評價(jià)函數(shù)都可以為用戶的設(shè)計(jì)提 供有利的幫助，軟件還提供了前人設(shè)計(jì)的大量的數(shù)據(jù)庫資料，方便設(shè)計(jì)師經(jīng)行參考和學(xué) 習(xí)。對于大部分光學(xué)設(shè)計(jì)工程師來說，有了這個(gè)軟件等于節(jié)省了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)周期，大 大的提高了光學(xué)設(shè)計(jì)的效率?？梢哉f是光學(xué)設(shè)計(jì)者的福音。 ZEMAX 的應(yīng)用圍還非常的 廣泛，比如傳統(tǒng)的照相機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)碼相機(jī)窺鏡等等一系列光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)。對于實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)來說，都會(huì)存在著多種的像差，所以很好的分析和減小像差對 于光學(xué)系統(tǒng)有著非常重要的意義， 在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展

14、的時(shí)代， 計(jì)算能力的大大提高， 人們就想著利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力方面的優(yōu)勢來解決以前大量的繁瑣的計(jì)算過程， 因?yàn)?對于光學(xué)系統(tǒng)的理論計(jì)算是非常復(fù)雜的， 在這種條件下美國的一家公司設(shè)計(jì)的這款名為 ZEMAX 的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，通過在 ZEMAX 中建立想要設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的模型，輸入鏡 相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)如曲率半徑和光學(xué)玻璃材料還有就是玻璃材料的厚度， 建立初始的設(shè)計(jì) 模型，軟件還提供了 2D3D 圖形的輸出還有彌散斑均方根的計(jì)算， 很好為光學(xué)設(shè)計(jì)者提 供了幫助。文檔3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理3.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟光學(xué)儀器就是當(dāng)光線通過該儀器的時(shí)候光路會(huì)根據(jù)儀器部的鏡頭的組合設(shè)定發(fā)生相 應(yīng)的變換，進(jìn)而達(dá)到

15、設(shè)計(jì)要求的成像。評價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)好壞的依據(jù)就是分析光學(xué)系統(tǒng) 的像差和焦距通過理論計(jì)算判定是夠能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。 一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)步驟基本 上可以由一下四步來實(shí)現(xiàn)：一、確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)和考慮實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，通過一定的理論 計(jì)算的方法確定整套光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 然后通過光學(xué)追記的方法對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行初 步的光線追記。二、確定好要設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過查詢資料或者手工計(jì)算的方 式去選擇設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)。三、運(yùn)用 ZEMAX 軟件設(shè)定評價(jià)函數(shù)和可控制變量，檢測運(yùn) 行優(yōu)化后的鏡頭是否滿足設(shè)計(jì)要求判斷像差是否合理；四、結(jié)合理論對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng) 計(jì)分析查看是否需要進(jìn)一步的優(yōu)化。對于光學(xué)設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本步驟來說

16、，每一步都是環(huán) 環(huán)相扣的，所以要想設(shè)計(jì)出好的鏡頭，每一步都必須謹(jǐn)慎經(jīng)行，因?yàn)橐徊降氖д`會(huì)導(dǎo)致 真?zhèn)€光學(xué)設(shè)計(jì)的失敗。另外對于光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)流程來說都具有有比較好的的可調(diào)整 性，所以最好是在能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下盡量的尋找一個(gè)相對簡單的設(shè)計(jì)方案，簡單 的方案意味著也要考慮實(shí)際裝配的過程中問題， 因?yàn)橐粋€(gè)再好的設(shè)計(jì)最終也會(huì)落實(shí)到實(shí) 際的產(chǎn)品生產(chǎn)。3.2 顯微鏡物鏡分類物鏡可以有一下四種分類方式：1按色差校正程度分類（ 1）一般消色差物鏡：這種物鏡的鏡頭上基本都標(biāo)有“ Ach ”代表的就是消色差設(shè)計(jì)。 （2）平場消色差物鏡：這種物鏡的鏡頭上基本都標(biāo)有 PLAN ，代表的就是平場消色差 設(shè)計(jì)，多用于顯微

17、照相系統(tǒng)，適合直接用肉眼觀察。（ 3）半復(fù)消色差物鏡，一般帶有 FL 字樣，能校正紅、蘭兩色的色差和球差。這種可用 于熒光觀察等，是比較高級的物鏡。（4）復(fù)消色差物鏡：標(biāo)有 APO 字樣，是觀察和顯微照相用的一流物鏡，它們的性能只 受物理定律的限制。該物鏡具有優(yōu)良的修正性和極其高的數(shù)值孔徑，所以在觀察和顯微 照相術(shù)方面具有最大的分辨率、 色彩純度、對比度以及圖象平直度。 如奧林巴司 UPLAN SAPO 100X/1.40 OIL 物鏡。文檔圖 3.2 顯微鏡物鏡鏡頭2按功能分類（1）像差物鏡（ Phase contrast）,用來觀察無色透明的標(biāo)本或活細(xì)胞，倒置顯微鏡上使 用廣泛，一般帶有

18、PH 標(biāo)志，且字體用綠色。（ 2）DIC 物鏡，可以做 DIC 的物鏡，一般要求半復(fù)消色差物鏡， DIC 觀察無色樣品或 或細(xì)胞。（ 3）HMC 物鏡，標(biāo)有 HMC 標(biāo)志，一種類似像差物鏡的物鏡，觀察效果有立體感比較 強(qiáng)，但不能用于熒光觀察。（4）偏光物鏡，一般標(biāo)有 POL 字樣，這種物鏡裝配了克服應(yīng)力設(shè)備，是專做偏光的物 鏡。（6）多功能物鏡， 有的廠家生產(chǎn)一種多功能物鏡， 比如可以同時(shí)做像差， DIC，熒光等， 這種物鏡要稍微貴些。一般帶有 U 標(biāo)志,比如奧林巴斯的” UPLFLN ”物鏡和蔡司的” EC PLAN NEOFLUAR ”系列物鏡。3按工作距離分類（1）普通物鏡：工作距離可以

19、看切片，但不能看培養(yǎng)皿。（2）長工作距離物鏡：一般有 LD 標(biāo)志 ,例如奧林巴斯的 LUCPLFLN-PH 物鏡和蔡司的 LD-A-PLAN PH 物鏡。這些物鏡可以用于培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等容器的觀察。工作距離高 至 10.6mm，并可以進(jìn)行光學(xué)修正，適用于 02mm 厚度的蓋玻璃，通常由修正環(huán)或特殊 的玻璃蓋帽完成修正。4物鏡上有很多的參數(shù)標(biāo)記 ,來幫助大家識別物鏡的等級和功能。下面用 NIKON 的一 款物鏡做例子以解釋物鏡的重要參數(shù)：（1） NIKON 制造商名稱 : 尼康公司（2） PLAN APO 物鏡的名稱 : 平場復(fù)消色差物鏡（3） 60X 放大倍數(shù) : 60 倍文檔(4)0.95數(shù)

20、值孔徑 : 0.95(6)DIC M功能 : 可以做 DIC(7)/0.11-0.23表示無限遠(yuǎn)筒長 /蓋玻片厚度(8)WD 0.15表示工作距離顯微鏡系統(tǒng)的物鏡是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的將光線收入到系統(tǒng)部的元件，物鏡的好壞必定 直接影響到真?zhèn)€顯微鏡的質(zhì)量，所以確保物鏡的性能和保證物鏡光學(xué)特性是非常重要 的。3.3 初級相差理論1、球差因?yàn)檎障噻R頭前端的球面上的每一點(diǎn)的鏡頭聚焦能力并不是相同的。從遠(yuǎn)處照射來 的平行光應(yīng)該收斂在特定的焦點(diǎn)。但由于近軸光線和遠(yuǎn)軸光線的匯聚點(diǎn)不是同一個(gè)點(diǎn) , 從而匯聚但不會(huì)成為一個(gè)點(diǎn)光源 , 而是集中在一個(gè)以光軸為對稱中心線的彌散圓 , 稱為 球面像差畸變。因?yàn)榍蛎嫦癫畹拇嬖?/p>

21、 , 導(dǎo)致成像模糊 , 從圖 2-5 可以明顯看出 , 模糊與光 圈的大小有很大關(guān)。 當(dāng)處于小光圈時(shí) , 光圈阻止光的遠(yuǎn)軸光線 , 彌散斑的直徑就變得比較 小, 成像便是清楚的。 當(dāng)光圈變大的時(shí)候彌散斑直徑變得相對較大 , 從而導(dǎo)致圖像變得模 糊。2、慧差慧差是主軸外某一軸外點(diǎn)進(jìn)行成像的時(shí)候產(chǎn)生的像差。從光軸發(fā)射出一束水平的光 通過光學(xué)系統(tǒng) , 得到的圖像呈現(xiàn)在平面上并不是一個(gè)點(diǎn) , 產(chǎn)生一個(gè)不對稱的分散點(diǎn) , 分散 點(diǎn)的形狀貌似一顆彗星 , 由至外分散的光由薄到厚 , 頭端明亮、清晰、廣泛的尾端 ,暗淡, 模糊。類似這樣的離軸光束形成的像差被叫做慧差?；鄄畹目讖酱笮∈艿焦馊鸵晥龅?制約。我

22、們也可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使用較小的光圈來降低慧差對拍照產(chǎn)物的干擾。3、場曲和像散當(dāng)使用存在場曲的透鏡進(jìn)行拍攝時(shí) , 只有調(diào)焦至中心時(shí)影象才能清晰 , 而四周的影像 卻是模糊的 , 當(dāng)調(diào)焦到四周影像清晰的時(shí)候 , 畫面的中心位置卻開始模糊 ,在平直的象平 面上無法獲取中心與四周同時(shí)清晰的像。 可以理解為一種軸外形成的像差。但是較慧差有許多差異，像散只與視場有關(guān)。由于軸 外光束的不對稱性，使得軸外點(diǎn)的子午細(xì)光束（即鏡頭的直徑方向）的匯聚點(diǎn)與弧失光 束（鏡頭圓弧方向）的匯聚點(diǎn)位置不同，這種現(xiàn)象稱為像散。像散就好似人眼的散光一 個(gè)意思。一旦人眼散光，在兩個(gè)方向上的晶狀體曲率產(chǎn)生差異，導(dǎo)致看到的事物分散成

23、一條短線。文檔4、畸變指的是所成的像的形狀發(fā)成了形變。畸變只會(huì)對象與物的相似度產(chǎn)生影響，但是不 會(huì)使像的清晰度受影響。 因?yàn)榛?, 導(dǎo)致物方的直線在像方看來就成為了一條彎曲的線， 從而導(dǎo)致失真的效果?；兎譃閮煞N：枕型和桶型。產(chǎn)生畸變的根源是因?yàn)殓R頭像場中 央橫向放大率不同于邊緣地帶的橫向放大率造成的。如圖 2-7 所示, 枕型畸變是由于左 右兩邊的放大率 上下兩邊的放大率造成的，而造成筒型畸變的原因恰恰與枕型畸變相 反。鏡頭的畸變像差與透視畸變并非同一個(gè)意思，鏡頭畸變是由于鏡頭產(chǎn)生的，在設(shè)計(jì) 鏡頭的過程中不妨使用非球面鏡使畸變縮小甚至消除。而透視畸變是由視點(diǎn)、視角、鏡 頭角度決定的，這才是

24、透視畸變的不變規(guī)則。4 雙膠合望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡手工計(jì)算4.1 雙膠合望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡的推導(dǎo)公式由一般光路計(jì)算公式：sin Isin ILRRsinUsin In sin In sin IL R R sinU 可推導(dǎo)出近軸光路計(jì)算公式： hirlriurni in(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)(4.7)(4.8)(4.9)文檔u u iil r(1 i )uHsin IR轉(zhuǎn)面公式u2ul2 l d111高斯公式ll f 焦距公式fhtan(u )初始結(jié)構(gòu)參數(shù)參照公式hftan(u )第一面光路追跡 平行光入射 h4mmhhi0.30545r1 13.095461(4.10)(4.11

25、)(4.12)(4.13)(4.14)(4.15)(4.16)n1i1 i 0.30545 0.21361n1.43u u i i 0.1409i l r 1 32 .94777u第一次轉(zhuǎn)面u u 0.1409l l d 29 .322第二面光路追跡文檔iu r20.5108 1 .43 ii1 . 650 . 4427u u i i 0.0728 i l r 1 u11 .168469 10.442756 .747480.0728第二次轉(zhuǎn)面u u 0.0728l l d 56 . 691267 第三面光路追跡lri u 5.8425r1i i9 . 640151 .49u u i i 3.8

26、7045 i l r 1 17 .451674 u第三次轉(zhuǎn)面u u 5.3743lld9 .0583第四面光路追跡liru 5.00136ri1i3 . 49751.49u ui i 5.3743文檔ilr1u12 .5683第四次轉(zhuǎn)面uu5.3743lld9 .0583第五面光路追跡ilrru12 .7864i11i .4911 .0815uui i 3.6694lr1i u13 .2671第五次轉(zhuǎn)面uu3.9964lld13 .2109第六面光路追跡ilrru11 .1539i11i .4918 .4039uui i 10.9194lr1i u4.444.3 系統(tǒng)焦距求解利用高斯公式、焦距

27、公式和三角形幾何關(guān)系可進(jìn)行如下計(jì)算。系統(tǒng)焦距計(jì)算：文檔系統(tǒng)焦距Dfhtan u0 .38580 .250 .0217620 .1334 mm5 ZEMAX 驗(yàn)證初始參數(shù)及優(yōu)化5.1 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 5.1 物鏡鏡頭初始數(shù)據(jù)（ 本次設(shè)計(jì)顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)： OBJ代表物方平面， STO代表光闌面， IMA代表像方平面） 設(shè)計(jì)目標(biāo)：采用兩組雙膠合結(jié)構(gòu)，放大倍率： 10 倍，通光口徑 D：4mm 半視場高度： 13.5mm， 設(shè)計(jì)波長： 0.486um、0.587um、0.656um5.2 通光口徑設(shè)定對于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)來說，通光口徑是該光學(xué)系統(tǒng)重要的參數(shù)之一，使用ZEMAX軟件經(jīng)行光學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要通

28、過軟件給定的功能去設(shè)定通光口徑的值，給予軟件計(jì)算時(shí) 所依據(jù)的重要數(shù)據(jù)。如圖 5.2.1 所示，在打開 ZEMAX軟件后，會(huì)出現(xiàn) ZEMAX的主要操作界面。選擇系統(tǒng) 菜單下面的通用配置，在所彈出的對話框中會(huì)看到光圈數(shù)值一欄，依據(jù)本次設(shè)計(jì)的初始 結(jié)構(gòu)參數(shù)，對光圈數(shù)值設(shè)定為 4，單位是 mm，點(diǎn)擊確定。文檔圖 5.2.1 光圈數(shù)設(shè)定對話框5.3 視場角度設(shè)定在 ZEMAX主菜單中選擇系統(tǒng)菜單下的視場，彈出的對話框?yàn)橐晥鲈O(shè)定對話框，對于 本次設(shè)計(jì)來說，市場類型選擇角度（度），添加三個(gè)市場角度， x視場保持不變?nèi)匀?為零， y 視場分別為 0、 6、 13.5 。點(diǎn)擊確定結(jié)束對市場角度的編輯。文檔圖 5

29、.3 視場角度設(shè)定對話框5.4 設(shè)計(jì)主要波長設(shè)定在 ZEMAX主菜單中選擇系統(tǒng)菜單下光波長，彈出的對話框?yàn)橹饕O(shè)計(jì)波長的設(shè)定對話框，對于本次設(shè)計(jì)來說，直接點(diǎn)擊選擇按鈕，選擇 ZEMAX軟件中為我們提供的默認(rèn)的設(shè)計(jì)波長( F，D， C( Visible )。點(diǎn)擊確定結(jié)束對主要設(shè)計(jì)波長的編輯文檔圖 5.4 主要設(shè)計(jì)波長設(shè)定對話框5.5 鏡頭參數(shù)設(shè)定本次所設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡采用的是四片鏡片兩兩組合的方式，利用的兩個(gè)雙膠合透 鏡組合的形式。設(shè)計(jì)鏡頭數(shù)據(jù)需要先選中 OBJ（物平面），按下鍵盤的 ins 鍵插入平面， 連續(xù)插入三次后將光標(biāo)移動(dòng)到 IMA（像平面）上面，繼續(xù) ins 鍵盤連續(xù)插圖三個(gè)平面， 到

30、此時(shí)為止就已經(jīng)建立了設(shè)計(jì)的初始模型，接下來只需要在相應(yīng)的半徑（ Radius ）、厚 度（ Thickness ）、玻璃（ class ）項(xiàng)目欄下面輸入已經(jīng)選擇好的設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖 5.5 所 示，是在 ZEMAX中輸入了初始選定的設(shè)計(jì)參數(shù)后的對話框。圖 5.5 設(shè)計(jì)的鏡頭參數(shù)對話框此時(shí)，在 ZEMAX中選擇分析 草圖 2D草圖，會(huì)出現(xiàn)如下圖的顯示結(jié)果。通過 2D草圖的 直觀展示可以看出本次所設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡的基本模型。文檔顯微鏡物鏡初始結(jié)構(gòu) 2D 草圖在 ZEMAX 中選擇，報(bào)告（ Reports） 系統(tǒng)數(shù)據(jù)（ System data），從圖中可以看出通 過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件所計(jì)算出來的有效的焦點(diǎn)長

31、度為 19.92236（系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中） 和 19.92236（在像空間）。優(yōu)化的時(shí)候可以將有效的焦點(diǎn)長度設(shè)定為 20，單位 mm 。文檔圖 System data5.6 通過 ZEMAX進(jìn)行透鏡組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用 ZEMAX軟件進(jìn)行鏡頭優(yōu)化的時(shí)候，第一步需要做的就是明確優(yōu)化的目標(biāo)。本次 設(shè)計(jì)所需要的優(yōu)化的目標(biāo)就是運(yùn)用軟件自定義的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在優(yōu)化函數(shù)的基礎(chǔ) 之上添加一個(gè)權(quán)重( Weight)為 1，設(shè)計(jì)有效焦距為 20的選項(xiàng)。另外為了達(dá)到比較好的 優(yōu)化的效果，變量的設(shè)定也是非常重要的，對于本次設(shè)計(jì)，保持玻璃材料不變，通過設(shè) 定半徑( Radius )、和厚度( Thickne

32、ss )為變量，然后建立評價(jià)函數(shù)，經(jīng)行優(yōu)化就可 以了。運(yùn)用 ZEMAX軟件，將光標(biāo)移動(dòng)到半徑上面，通過快捷鍵 Ctrl+Z 來設(shè)定優(yōu)化變量， 在變量設(shè)定好了之后需要構(gòu)建評價(jià)函數(shù)。選擇編輯( Editors )優(yōu)化函數(shù)( Merit Function )在彈出的對話框中選擇工具( Tools )默認(rèn)評價(jià)函數(shù)( Default Merit Function )。如圖 5.6 (a)所示。然后選擇 RMS、Wavefront 、Centroid ，高斯求積方文檔式下的環(huán)帶（ Rings）和臂（ Arms）分別設(shè)定為 3 和 6 。點(diǎn)擊確定鍵結(jié)束評價(jià)函數(shù)的編 輯。圖 5.6（ a）優(yōu)化函數(shù)窗口 在生成

33、的評價(jià)函數(shù)中添加一個(gè)類型（ Type）為 EFFL， Target值為 20，權(quán)重（ Weight） 為 1 的選項(xiàng)。然后結(jié)束對評價(jià)函數(shù)的編輯。在 ZEMAX 中選擇工具（ Tools ） 優(yōu)化 （ Optimization ），在彈出的優(yōu)化對話框中選擇自動(dòng)更新，然后點(diǎn)擊優(yōu)化，軟件會(huì)根據(jù) 預(yù)先設(shè)計(jì)好的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化。如圖 5.6（b1）和 5.6（ b2）所示，可以很容 易的觀察到，優(yōu)化前的 MF 值為 0.581817，進(jìn)過優(yōu)化后的 MF 值明顯降低，已經(jīng)接近于0，可以說達(dá)到了很好優(yōu)化效果圖 5.6（ b1）優(yōu)化數(shù)據(jù)后對比圖文檔圖 5.6（ b2）優(yōu)化數(shù)據(jù)后對比圖優(yōu)化后鏡頭參數(shù)和分析報(bào)

34、告圖 5.6（ c）優(yōu)化后物鏡鏡頭參數(shù)通過圖 5.6（c）可以觀察到對于本次設(shè)計(jì)優(yōu)化之前設(shè)定的變量已經(jīng)發(fā)生了改變，這就是 ZEMAX 優(yōu)化之后的鏡頭參數(shù)的數(shù)據(jù)。文檔圖 5.6（ d）系統(tǒng)分析報(bào)告文檔圖 5.6（ d）優(yōu)化后鏡頭的 2D 草圖結(jié)論對于顯微鏡系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)以及特殊應(yīng)用，其物鏡也有不同的結(jié)構(gòu)要求。由于本次 設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡的放大倍率是 10，數(shù)值孔徑為 4mm，由于數(shù)值孔徑相對較大，所以物 鏡的孔徑就會(huì)增大，那么和孔徑相關(guān)的球差也會(huì)大大增加，所以最終設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)采 用的是兩對雙膠合透鏡組合的方式，這樣做的好處在于可以很好的矯正球差以及慧差。 提高成像的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)參數(shù)嵌入到軟件中，在

35、光學(xué)軟件 ZEMAX里做了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果符 合望遠(yuǎn)鏡物鏡的要求，成像質(zhì)量也可以。為了得到完美、真實(shí)的成像，物鏡必須進(jìn)行優(yōu) 化。 ZEMAX優(yōu)化以后與我手工計(jì)算的數(shù)據(jù)出入不是非常大。這一結(jié)果即說明了我的手工 計(jì)算是正確的，也說明優(yōu)化的數(shù)據(jù)更為完美。文檔參考文獻(xiàn)1 Jun Amako Daisuke Sawaki and Eiichi Fujii, Microstructuring transparent materials by use of nondiffracting ultrashort pulse beams generated by diffractive optics, J. Opt

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