中倍平場(chǎng)顯微物鏡的設(shè)計(jì)

1、,.r.中倍平場(chǎng)顯微物鏡的設(shè)計(jì)Lastrevisionon21December2021電氣工程學(xué)院?課程設(shè)計(jì)?任務(wù)書課程名稱：光學(xué)儀器根底課程設(shè)計(jì)基層教學(xué)單位：指導(dǎo)教師：學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)08鬻表2設(shè)計(jì)題目中倍平場(chǎng)顯微物鏡的設(shè)計(jì)計(jì)術(shù)數(shù)設(shè)技參放大率懺-25x,數(shù)值孔徑=,共匏距離L=195mm,物方線視場(chǎng)y=1mm,工作距離大于irrm一設(shè)計(jì)要求計(jì)算顯微物鏡的各個(gè)參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化,確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),滿足像差要求一參考資料1、劉鈞,高明編著,?光學(xué)設(shè)計(jì)?,2006,西安電子科技大學(xué)出版社,西安2、?光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)?,1971,國(guó)防科技出版社,北京3、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX完成內(nèi)容對(duì)系

2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確實(shí)定；對(duì)各種象差的分析；利用軟件上機(jī)調(diào)試優(yōu)化；比擬優(yōu)化前后的不同指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：1、此表一式三份,系、學(xué)生各一份,報(bào)送院教務(wù)科一份.2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計(jì)報(bào)告前面.電氣工程學(xué)院教務(wù)科目錄第一章摘要4第二章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)5第三章像質(zhì)分析17第四章系統(tǒng)的優(yōu)化21第五章總結(jié)25參考文獻(xiàn)26第一章摘要顯微鏡系統(tǒng)是用來(lái)幫助人眼觀察近距離物體微小細(xì)節(jié)的一種光學(xué)系統(tǒng).尤其構(gòu)成的目視光學(xué)儀器稱為顯微鏡,它是由物鏡和目鏡組合而成的.顯微鏡和放大鏡的作用相同,都是把近處的微小物體通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后成一放大的像,以供人眼觀察.由于顯微鏡物鏡決定了物點(diǎn)能夠進(jìn)入系統(tǒng)成像的

3、光束大小,因此顯微鏡的光學(xué)特性主要是由它的物鏡決定的.顯微鏡物鏡根據(jù)它們的性能及用途不同,可分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平像場(chǎng)物鏡、反射式物鏡和折射式物鏡.對(duì)于某些特殊用途的顯微系統(tǒng),如顯微投影等,除了要求校正軸上點(diǎn)像差球差、軸向色差、正弦差以及二級(jí)光譜外,還必須嚴(yán)格較正場(chǎng)曲,以獲得較大的清楚視場(chǎng),因此,為了滿足實(shí)際使用的要求,出現(xiàn)了校正場(chǎng)曲的平像場(chǎng)物鏡,本設(shè)計(jì)即為設(shè)計(jì)中倍平場(chǎng)顯微物鏡的設(shè)計(jì).表征顯微物鏡性能主要有三個(gè)參數(shù)：數(shù)值孔徑、放大率和線視場(chǎng).放大率越高,數(shù)值孔徑NA越大,分辨率也越高,其結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜.本次設(shè)計(jì)采用Zemax軟件進(jìn)行仿真,ZEMAX能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)建模、分析和

4、其他的輔助功能.ZEMAX的界面簡(jiǎn)單易用,只需稍加練習(xí),就能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)設(shè)計(jì).但由于本人新學(xué)現(xiàn)用,肯定有缺乏之處,望老師指正.關(guān)鍵詞：顯微鏡物鏡；場(chǎng)曲；Zemax第二章用PW法進(jìn)行顯微物鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)顯微鏡物鏡參數(shù)技術(shù)要求：放大率/=25X,數(shù)值孔徑共輾距離L=195mm,物方線視場(chǎng)工作距離大于1該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下：尺寸單位均為mm(-)按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求選取適宜的結(jié)構(gòu)形式由于上述要求知,當(dāng)?=25x,NA=,即物方孔徑角近似為,二,相應(yīng)的象方孔徑角“'二,物鏡的總偏角6="-=.通常消色差的雙膠合物鏡能負(fù)擔(dān)的偏角小于,單透鏡所能負(fù)擔(dān)的偏角小于,否那么,將引入大量高級(jí)像差.同

5、時(shí)為了矯正系統(tǒng)的匹茲伐和數(shù),系統(tǒng)中引入能產(chǎn)生負(fù)值S7/的彎月形厚透鏡,同時(shí)要求它能負(fù)擔(dān)一定的正偏角；為了獲得較大的工作距離,因此透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖(-)：圖(-)(-)系統(tǒng)的高斯光學(xué)計(jì)算為了便于限制共匏距離的改變,進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)把象方作為物方,如圖(二),它是圖(一)的簡(jiǎn)化表不.圖(-)1、偏角分配如下表總偏角負(fù)透鏡偏角正透鏡偏角雙膠合透鏡偏角厚透鏡偏角2、高斯光學(xué)計(jì)算有幾何光學(xué)知識(shí),透鏡組偏角和光線在透鏡上高度可由如下二式求得：%=%一4“川；一%="%(1)求個(gè)薄透鏡的光焦度及第一近軸光線在各薄透鏡組上的高度/2i=/必=-167mmx()=2.672mm同理可得(2)求主光線在各

6、薄透鏡組上的高度.由圖(二)可求得物方半視場(chǎng)高度同理可得：厚透鏡參數(shù)確實(shí)定在后面專門表達(dá).(三)列出系統(tǒng)的初級(jí)像差方程組為了計(jì)算方便.將上述計(jì)算結(jié)果列成表,如下表10023拉式不變量J=nuy=1x(-0.016)x(12.5)=0.2厚透鏡的像差系數(shù)如下：u=Ehh"P+J£也W+S“C(2)將上表諸值代入上式得：ZS/=0.0002512P2+0.0015173/+0.0014915W4+0.003763g+0.00305055+Smc(四)對(duì)各透鏡組尸W規(guī)化1 .第一塊負(fù)透鏡為減小高級(jí)象差,材料取高折射率的ZE7,其折射率、阿貝常數(shù)7=叱=叱,4(2+1)=%,0.4

7、08597(4)n6=匕而+1-+1(1+2%)2=0.8729叫*2-0.410633+1.096582 .第二塊正透鏡正透鏡取重冕玻璃ZK3,其=,d=6L2,那么4=1.70845Pin=1.60099(6)%=VV2X+1.69443P,=0.850723Wzr2+2.8145lV,x+3.93485一(7)3 .雙膠合透鏡R=P：一3(4叼+1)+u：(2+2)=尸：一1.96931“、+0.549934(9)其中,嗎=W(2+/)=W：-130467五厚透鏡參數(shù)確實(shí)定圖三1n9u-nilp=-=r/z('一)(10)由像差理論可知,厚透鏡'=?一%=力4.4-1+/

8、?5月51一(11)S1=G0吟多,2一1/、J24一.5n(12)u-it5n5、L()=nn=一4)+"§("；%)bn-n-r小(；一%)+%-5)1-n(13)c,=ih式%-%)+/%(；一s).%(14)由位置色差系數(shù)G、倍率色差系數(shù).可知,厚透鏡折射率n越大,所擔(dān)負(fù)偏角越大；阿貝常數(shù)7越大,位置色差、倍率色差越小.所以材料選取重火石玻璃ZBaF3,即=1.6568.=51.1為求出厚透鏡的薄透鏡的品首先要求出薄透鏡的-它可由下式求得式中,雙膠合透鏡的1=0.65n為雙膠合透鏡的等效折射率.為了使得參加厚透鏡后,n系統(tǒng)仍保持一定量正的所以取厚透鏡的染=

9、.由式1112可知,兩個(gè)方程式中有三個(gè)變數(shù)處,k為此需要給定一個(gè)條件.我們可以讓必滿足不暈條件,不暈面的曲率半徑可由下式求得將上面求得的值及確定的數(shù)代入得但為了校正系統(tǒng)的正象散,使次面稍偏離不暈條件,取9=3.6,即a=0.2778,而生=.%=9.48453x0.194.將明為代入式11和12得聯(lián)立解得：工作距離為結(jié)果滿足技術(shù)要求.利用圖三和式10可得其厚度d的公式d川一生.51一,?式中,n為厚透鏡折射率.將值代入上式,可求得其厚度到此為止,厚透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算完畢,整理如下：r4=3.6mm«=1.6568£>=51.1六厚透鏡初級(jí)像差系數(shù)的計(jì)算4 =2.65mm

10、通過(guò)近軸光線追跡,求得：初級(jí)像差方程組將式代入式,并取w:二o,得:上表中初級(jí)像差系數(shù)都比擬小,故解是比擬合理的.A求各薄透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)1 .第一塊負(fù)透鏡解得.=1.64722相應(yīng)的曲率半徑為2 .第二塊正透鏡算法同上得：3 .第三組雙膠合透鏡(1)求雙膠合薄透鏡的色差系數(shù)G(2)求規(guī)化色差系數(shù)如(3)求薄透鏡的外值.由于冕牌玻璃在前還是火石玻璃在前未定,故%值取其中間值,即(4)根據(jù)上面求得的外值和G挑選ZK7和Z57玻璃組合,并采用冕牌玻璃在前,即：在規(guī)化條件下色差系數(shù)當(dāng)雙膠合透鏡光焦度0=1時(shí),得(5)求得結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而得到：去規(guī)化后并求得雙膠合透鏡組的三面半徑r/mmd/mm玻璃類型n8

11、(孔徑光闌)0ZF75ZK316ZK7ZF70ZBaF3r/mmd/mm玻璃根據(jù)上述計(jì)算,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表(九)由薄透鏡變厚透鏡過(guò)程從略.由公式計(jì)算的下表8(孔徑光闌)01ZF7-108452ZK3ZK7ZF7ZBaF31物高y=mm,物距右二,物方孔徑角由=-0.016,入瞳直徑D=2,視場(chǎng)角2卬=9.,/=6mm.第三章像質(zhì)分析往Zemax中輸入的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示設(shè)入瞳直徑為2mm下列圖為由Zemax根據(jù)以上數(shù)據(jù)仿真出來(lái)的2D系統(tǒng)示意圖由圖知此系統(tǒng)是物理可實(shí)現(xiàn)的.以下各圖為優(yōu)化前由Zemax仿真出的各像差曲線圖優(yōu)化前像差優(yōu)化前場(chǎng)曲/畸變曲線優(yōu)化前點(diǎn)列圖優(yōu)化前MTF曲線由以上各像

12、差曲線得到,不管視場(chǎng)角多大,總有較大的像差存在,這一點(diǎn)從點(diǎn)列圖分散比擬大也可看出,且可看出成像的分辨率不高；場(chǎng)曲較大,且在視場(chǎng)為零時(shí)還存在較大場(chǎng)曲,畸變較小,不過(guò)對(duì)此系統(tǒng)影響不大；最后通過(guò)MTF曲線知,通過(guò)此系統(tǒng)的光線截止頻率較大,通過(guò)此系統(tǒng)后,光線衰減嚴(yán)重,總之此系統(tǒng)有校正的必要,需進(jìn)行優(yōu)化.第四章系統(tǒng)的優(yōu)化經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行的一系列校正,最后得到成像質(zhì)量較好的一組初始結(jié)構(gòu)參數(shù),如下表LAYDLTTTUETUN2Q2031TOTALLENGTH!29.49X1MM優(yōu)化后的系統(tǒng)2D圖如下：CaNFIGURflTioNXIDFJ由圖可知,此系統(tǒng)仍為物理可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化后的其余各像差曲線如下優(yōu)

13、化后像差曲線優(yōu)化后場(chǎng)曲/畸變曲線優(yōu)化后點(diǎn)列圖優(yōu)化后的MTF曲線通過(guò)優(yōu)化前后的像差曲線及點(diǎn)列圖相比擬可以看出像差差明顯就小,尤其是在較小的視場(chǎng)下,通過(guò)點(diǎn)列圖較好的集中程度也可看出像差已經(jīng)很小,且集中程度很好,系統(tǒng)分辨率較高；場(chǎng)曲得到較好的校正,帶光及較小視場(chǎng)處場(chǎng)曲甚至為零,最大場(chǎng)曲也得到了較好的校正,畸變變化不大：通過(guò)此物鏡系統(tǒng)的光線的截止頻率得到了很大的提升,光線通過(guò)此系統(tǒng)后能保持較大的對(duì)比度能得到層次豐富、真實(shí)感強(qiáng)的比照?qǐng)D像.第五章總結(jié)顯微鏡物鏡系統(tǒng)是一項(xiàng)精密的系統(tǒng),它不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且嚴(yán)格要求本身的光學(xué)特性和成像質(zhì)量,以盡量減少各種像差和失真,從而也令設(shè)計(jì)的過(guò)程務(wù)必嚴(yán)格謹(jǐn)慎.通過(guò)將近兩周的

14、課程設(shè)計(jì),我大致諒解了光學(xué)物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程PW法,即通過(guò)系統(tǒng)要求的性能技術(shù)指標(biāo),如何計(jì)算出正確合格的透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),并學(xué)會(huì)了使用Zemax軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,以及對(duì)各種像差進(jìn)行評(píng)估,并通過(guò)此軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以得到符合設(shè)計(jì)要求的初始結(jié)構(gòu)參數(shù).這一周多的課程設(shè)計(jì)雖然短暫,但通過(guò)一周的忙碌我們不僅有加深了對(duì)以往所學(xué)光學(xué)知識(shí)的理解,而且體驗(yàn)到了學(xué)有所用的快樂(lè),更進(jìn)一步培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的水平.當(dāng)然,設(shè)計(jì)一如此精密的光學(xué)物鏡系統(tǒng),并通過(guò)我們之前并不了解的Zemax進(jìn)行仿真優(yōu)化,這都需要大量的計(jì)算和前人的經(jīng)驗(yàn),在短短一周時(shí)間之內(nèi),難免系統(tǒng)中出現(xiàn)缺陷或者缺乏.不過(guò)在老師的指導(dǎo)和自己的努力下,能夠完成這一設(shè)計(jì)任務(wù),感覺(jué)是很有收獲的.參考文獻(xiàn)：11劉鈞,高明.光學(xué)設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2006.P1