工程光学课程设计.doc

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1、工程光学课程设计 设计名称： 工程光学课程设计 院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 测控11-1班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 李静 李艳苹 黑龙江工程学院教务处制20 13 年 12 月工程光学课程设计评分表题目名称显微镜光学系统设计实习时间2013年 12 月 23 日至 2013 年 12 月 31 日 共 2 周实习地点实验楼528设计报告得分序号评 价 项 目总分值得分1应用文献资料能力及综合运用知识能力2设计说明书撰写水平；插图质量3设计实验能力及创新性设计报告得分总计实物制作效果评语： 指导教师签字： 年 月 日学生姓名班级学号平时表现辩论综合评定得分实习成绩注：最

2、后成绩的评定以优90-100、良80-89、中70-79、及格60-69和不及格少于60分五级给出。第1章 物镜设计方案1.1 总体设计方案25显微镜物镜属于中倍显微物镜，通常由两个别离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6至30之间，数值孔径NA为0.2至0.6之间。由于显微物镜倍率较高，相距远大于物距，显微物镜的设计通常采用逆光路方式，即把像方的量当做物方的量来处理。里斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的原那么通常是使每个双胶合透镜产生的偏角相等或者是后组的偏角略大于前组。里斯特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜上。当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时，两个双胶合透镜

3、的间隔大致和物镜的总焦距相等。第一个双胶合的焦距约为物镜焦距的二倍。第二个双胶合的焦距大致和物镜的总焦距相等。物镜的像差校正方式采取两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差，这种方案的有点是：二个双胶合透镜组合在一起那么为一个中倍物镜，移去一个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用。其总设计图如图1.1所示：图1.1 25显微镜物镜设计方案图 第2章 物镜设计参数及镜片选择2.1物镜的数值孔径：物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，增强物镜的聚光能力可提高物镜的鉴别率。数值孔径通常以符号“N.A.表示即Numerical Aperture。根据理论的推导得出：N.A.=n.si

4、nu式中 n物镜与观察之间介质的折射率； u物镜的孔径半角因此，有两个提高数字孔径的途径：a增大透镜的直径或减少物镜的焦距，以增大孔径半角u。此法因导致象差增大及制造困难，实际上sinu的最大值只能到达0.95b增加物镜与观察之间的折射率n。是介质对物镜数值孔径影响示意图。当光线沿光轴方向射向观察物时，自物体S处发出的反射光除沿SO方向反射外，尚有S1S1S2，S2等衍射光。a是以空气为介质又称干系物镜的情况，只有S1S1内的衍射光可以通过物镜，S1S1以外的衍射光如S2，S2均不能通过物镜。b是物镜与观察之间以松柏油或其它油为介质又称油浸物镜时，由于折射率n增加，使衍射光的角度变狭，致使S2

5、，S2甚至S3，S3内的衍射光均可通过物镜。因而使物镜通过尽可能多的衍射光束，利于鉴别组织细节。2.2物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示。d愈小，表示物镜的鉴别率愈高。要明白鉴别率可以有一定的限度，这就要用光通过透镜后产生衍射现象来解释。物体通过光学仪器成象时，每一物点对应有一象点，但由于光的衍射，物点的象不再是一个几何点，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的两个物点所成的象一两个亮斑如果互相重叠，那么导致这两个物点分辨不清，从而限制了光学系统的分辨本领一分辨率。显然，象面上衍射图象中央亮斑半径愈大，系统的分辨本领愈小。瑞利

6、Rayleigh提出一个推测又称瑞利准那么：认为当A1衍射把戏的第一极小值正好落在A2衍射把戏的极大值时，A1、A2是可以分辨的，将此时定出的两物点距离A1、A2作为光学统的分辨极限。0称为极限分辨角。不言而喻，当0时是完全可分辨的，0时是不可分辨的。 由圆孔衍射理论得到：0=1.22 / D 式中入射光波长； D入射光的最大允许孔径透镜直径。因为0很小，所以由图2-4得：d0=1.22S / D 物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件的，即ndsinu=ndsinu式中n和n为物、象所在空间的折射率，成象总是在空气介质中，故n=1；u各u分别为光线在物、象空间共轭点上的孔径角；d和d分别为物

7、点、象点中心斑的间距。考虑到显微镜中入射光并非都是平行光，有倾斜光线，对上式系数作适当的修正，所以式中nsinu就是物镜的数值孔径，因此，上式或者写：d=0.5/N.A因此说明：物镜的数值孔径愈大，入射光的波长愈短，那么物镜的分辨能力愈高。在可见光中，观察时常用黄绿光 4400A，那么可使分辨能力提高25%左右。2.3 物镜的有效放大倍数在保证物镜的鉴别率充分利用时所对应的物镜的放大倍数，称为物镜的有效放大倍数。有效放大倍数可由以下关系推出：人眼在明视距离250mm)处的分辨能力为0.150.30，因此，需将物镜鉴别的距离d经显微镜放大后成0.150.30mm方能被人眼分辨。假设以M表示物镜的

8、放大倍数，那么d.m=0.150.30M=0.150.30/d=(0.150.30)(N.A.)/0.5=0.30.6N.A./此时的放大倍数即为物镜的有效放大倍数，通常以M有效表示。因此M有效=0.30.6N.A./由此可知：物镜的有效放大倍数由物镜的数值孔径及入射光波长决定。2.4垂直鉴别率垂直鉴别率又称景深，定义为在固定相点的情况下，成象面沿轴向移动仍能保持图象清晰的范围。表征物镜对应位于不同平面上目的物细节能否清晰成象的一个性质，垂直鉴别率的大小由满意成象的平面的两个极限位置位于聚焦平面之前和之后间的距离来量度。如果人跟分辨能力为0.150.30mm，n为目的物所在介质的折射率，N.A

9、.)为物镜的数值孔径，M为显微镜的放大倍数，那么垂直鉴别率h可由下式求出：h=n / (N.A.).M 0.150.30mm由上式可知：如果要求较大的垂直鉴别率，最好选用数值孔径小的物镜，或减少孔径光阑以缩小物镜的工作孔径，这样就不可防止降低了显微镜的分辨能力。这两个矛盾因素，只能被具体情况决定取舍。2.5实际参数确定按照设计要求：物镜放大倍数为25，数值孔径NA=0.4，通过以上几个参数的计算，计算出理论上的数值并确定符合数值要求的镜片。初步确定第一个双胶合透镜的初始结构由ZF3与K9组合，第二个双胶合透镜的初始结构由ZF3与ZK9组合。求出双胶合透镜的初始结构之后，就可以进行光线追迹、相差

10、计算和平衡了，如果的得到不满意的结果，可重新选择玻璃对，再重复上面的计算，到达设计要求，也可以采用自动设计程序作进一步校正，其结果可能会更好。 第3章 25显微镜物镜光学系统仿真过程3.1选择初始结构并设置参数显微镜物镜的初始结构选择如下：在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为 0.04，物方数值孔径为0.016，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。此时该系统的结构、传函以及像差如图4-1所示。从MTF图和像差图可以看出该显微物镜的成像质量还不是很好，需要对其进行自动优化校正。 图3.1初始结构各参数仿真图3.2自动优化 首先，建立自动优化函数。具

11、体过程如下：选择Editors Merit Function，弹出 Merit Function Editor 对话框，在Type栏中输入EFFL，并将Target定为6.930840， Weight值取1.0； 其次，选择Merit Function Editor对话框工具栏中的ToolsDefault Merit Function, 设置Optimization and Reference为RMSWavefrontCentroid； 最后，选择opt按钮进行自动优化。 自动优化后，显微镜物镜结构的数据如下： 经过自动优化后的显微物镜的结构、传函以及像差如图4-2所示。此时，像方数值孔径NA

12、=0.37333,传递函数接近于衍射极限，成像质量较好，根本上到达设计的要求。 图3.2 自动优化后的各参数仿真图3.3 物镜的光学传递函数(MTF)分析光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线性空间不变系统，因而可以用线性系统理论来研究它的性能，把输入信息分解成各种空间频率分量，研究系统的空间频率传递特性即光学传递函数，它能全面反映光学系统的成像性质。FFTMTF是用快速傅立叶变化算法计算的MTF，是一种物理传递函数，即考虑光学系统的衍射效应，一般的成像光学系统都可用它来评价。此时的传递函数接近于衍射极限，成像质量好。图4-3为照相物镜的光学传递函数图。图3.3 照相物镜的MTF图心得体会

13、在本次实习的过程中，在设计初期对于ZEMAX我一无所知，面对一个未知的领域，迷茫无措。从网上查询资料，去图书馆查阅相关书籍，到对软件以及设计的过程有了初步了解，到最后综合网上资料和书上的参数完成整个设计过程是对自己的一次考验与超越，这不仅是学习ZEMAX这个软件，更是学习面对未知知识时一种自学的能力以及处理的方法。这次实验中我学会了许多东西，ZEMAX软件的根本使用方法，光学系统设计的根本设计思路与步骤，更重要的是一种学习的方法。设计初期要考虑周到，否那么后期改良很困难。应该在初期就多思考几个问题，进行详细了解，选择最适宜的方法动手设计。总体设计原理在整个设计过程中非常重要，应该充分了解光学系

14、统的原理。 2. 设计时，多使用已学的方法，如ZEMAX的操作方法等，要整体考虑，不可看一步，做一步。在整体设计都正确后，再寻求简化的方法。整个设计个过程比拟艰难，但是结果还是比拟令人欣慰。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学们的帮助支持下，终于一一解决问题。通过这次综合性实验我们不仅提高了自己动手的能力，还学到很多知识。这些知识和学习方法正是我们平时学习中没有理解和掌握的，在学习理论知识的同时也要注重科学实践，而这种实验正好为我们提供了实践的时机，所以我们要好好珍惜每一次的实验。在每一次的试验中有所收获，通过每一次的实验充实自己。参考文献1袁旭沧，现代光学设计方法，北京：北京理工大学出版社，1995.2胡家升，光学工程导论，大连：大连理工大学出版社，2005.3华家宁，现代光学技术及应用，江苏： 江苏科学与技术出版社，2005.4朱自强，现代光学教程，四川：四川大学出版社，1990.5谢建平，近代光学根底，北京：中国科学技术出版社，2006.附 录附录1 总原理图