工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)名稱：工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)院系名稱：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：黑龍江工程學(xué)院教務(wù)處制尊3“年拴月工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)評(píng)分表題目名稱25乂顯微物鏡實(shí)習(xí)時(shí)間2013年12 月 23 日至2013 年 12 月31 日 共 2 周實(shí)習(xí)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樓513設(shè)計(jì)報(bào)告得分序號(hào)評(píng)價(jià)項(xiàng)目滿 分得分1應(yīng)用文獻(xiàn)資料能力及綜合運(yùn)用知識(shí)能力2設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)水平；插圖質(zhì)量3設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）能力及創(chuàng)新性設(shè)計(jì)報(bào)告得分總計(jì)實(shí)物制作效果評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽字：年 月 日學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)平時(shí)表現(xiàn) （20 分）答辯（20 分）綜合評(píng)定得分實(shí)習(xí)成績(jī)注：最后成績(jī)的評(píng)定以優(yōu)（90 100）、良（80 89

2、）、中（70 79 ）、及格（60 69 ） 和不及格（少于60分）五級(jí)給出。一、ZEMAX軟件介紹美國(guó)ZEMAX Development Corporation研發(fā)ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，集 成了光學(xué)系統(tǒng)所有的概念、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有 的這些功能都有一個(gè)直觀的接口，它們具有功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)。ZEMAX 有兩種不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。ZEMAX可以模擬序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系統(tǒng)，分別針對(duì) 成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。ZEMAX

3、采用序列和非序列兩種模式模擬折射、反射、衍射的光 線追跡。序列光線追跡主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng) 等。這一模式下，ZEMAX以面作為對(duì)象來(lái)構(gòu)建一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)模型，每一表面的位置由它 相對(duì)于前一表面的坐標(biāo)來(lái)確定。光線從物平面開(kāi)始，按照表面的先后順序進(jìn)行追跡，追跡 速度很快。許多復(fù)雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、微反射鏡、導(dǎo)光管、非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀 的物體則需采用非序列模式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建模。這種模式下，ZEMAX以物體作為對(duì)象，光 線按照物理規(guī)則，沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行追跡，可按任意順序入射到任意一組物體上， 也可以重復(fù)入射到同一物體上，直到被物體攔截。與序列模式相比，非序

4、列光線追跡能夠 對(duì)光線傳播進(jìn)行更為細(xì)節(jié)的分析。但此模式下，由于分析的光線多，計(jì)算速度較慢。在一些較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用序列和非序列光線追跡。根據(jù)需要，可 以采用序列光學(xué)表面與任意形狀、方向或位置的非序列組件進(jìn)行結(jié)合，共同形成一個(gè)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)。二、顯微物鏡設(shè)計(jì)方案2寧顯微鏡物鏡屬于中倍顯微物鏡，通常由兩個(gè)分離的雙膠組合透鏡組成，這類物鏡 也稱為里斯特物鏡，它的倍率一般在&至30 x之間，數(shù)值孔徑NA為0.2至0.6之間。由于顯微物鏡倍率較高，像距遠(yuǎn)大于物距，顯微物鏡的設(shè)計(jì)通常采用逆光路方式，即 把像方的量當(dāng)做物方的量來(lái)處理。里斯特物鏡兩個(gè)雙膠合透鏡光焦度分配的原則通常是使 每個(gè)雙膠合透

5、鏡產(chǎn)生的偏角相等或者是后組的偏角略大于前組。里斯特物鏡的光闌通常放 在第一個(gè)雙膠合透鏡上。當(dāng)兩個(gè)雙膠合透鏡相互補(bǔ)消球差和慧差時(shí)，兩個(gè)雙膠合透鏡的間 隔大致和物鏡的總焦距相等。第一個(gè)雙膠合的焦距約為物鏡焦距的二倍。第二個(gè)雙膠合的 焦距大致和物鏡的總焦距相等。物鏡的像差校正方式采取兩個(gè)雙膠合透鏡各自單獨(dú)校正球差、慧差和色差，這種方案 的有點(diǎn)是：二個(gè)雙膠合透鏡組合在一起則為一個(gè)中倍物鏡，移去一個(gè)雙膠合透鏡后可用作 低倍顯微物鏡使用。其總設(shè)計(jì)圖如圖1所示。圖1 25X顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)方案圖三、顯微鏡物鏡及參數(shù)1、物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，增強(qiáng)物鏡的聚光能力 可

6、提高物鏡的鑒別率。數(shù)值孔徑通常以符號(hào)“NA”表示(即Numerical Aperture)。根據(jù)理論的推導(dǎo)得出：式中?n一物鏡與觀察之間介質(zhì)的折射率；?u一物鏡的孔徑半角。因此，有兩個(gè)提高數(shù)字孔徑的途徑：（a）增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距，以增大孔徑半角u。此法因?qū)е孪蟛钤龃?及制造困難，實(shí)際上sinu的最大值只能達(dá)到0.95。（b）增加物鏡與觀察之間的折射率n。2、物鏡的分辨率物鏡的分辨率是指物鏡具有將兩個(gè)物點(diǎn)清晰分辨的最大能力。要明白分辨率可以有一 定的限度，這就要用光通過(guò)透鏡后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象來(lái)解釋。物體通過(guò)光學(xué)儀器成像時(shí)，由于 光的衍射，物點(diǎn)的象不再是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是有一定大小的衍射斑。

7、衍射斑中心亮斑集中 了全部能量的83.78%，叫作艾里斑。艾里斑的中心代表像點(diǎn)的位置。根據(jù)瑞利（Rayleigh） 判斷，兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的間隔等于艾里斑半徑時(shí)則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。其分辨率為 根據(jù)道威（Doves）判斷，兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距為0.85a時(shí)，則能被光學(xué) 系統(tǒng)分辨。其分辨率為由以上公式可知，顯微鏡的分辨率主要取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。3、物鏡的有效放大率在保證物鏡的分辨率充分利用時(shí)所對(duì)應(yīng)的物鏡的放大率，稱為物鏡的有效放大率。有 效放大率可由以下關(guān)系推出：設(shè)眼睛容易分辨的角距離為2、4，則在明視距離上對(duì)應(yīng)的 線距離b 為把b 換算到顯微鏡的物空間，按道威判斷取b值，則設(shè)照

8、明光的平均波長(zhǎng)為0.000555mm,得近似寫(xiě)作由此可知：物鏡的有效放大率由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長(zhǎng)決定。4、實(shí)際參數(shù)確定按照設(shè)計(jì)要求：物鏡放大倍數(shù)為25,數(shù)值孔徑NA=0.4，通過(guò)以上幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算， 計(jì)算出理論上的數(shù)值并確定符合數(shù)值要求的鏡片。初步確定第一個(gè)雙膠合透鏡的初始結(jié) 構(gòu)由ZF3與K9組合，第二個(gè)雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)由ZF3與ZK9組合。求出雙膠合透鏡 的初始結(jié)構(gòu)之后，就可以進(jìn)行光線追跡、相差計(jì)算和平衡了，如果的得到不滿意的結(jié)果， 可重新選擇玻璃對(duì)，再重復(fù)上面的計(jì)算，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也可以采用自動(dòng)設(shè)計(jì)程序作進(jìn)一 步校正，其結(jié)果可能會(huì)更好。四、25x顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過(guò)程1、選擇

9、初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù)顯微鏡物鏡的初始結(jié)構(gòu)選擇如圖2圖2顯微鏡物鏡初始結(jié)構(gòu)圖在用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將顯微鏡倒置設(shè)計(jì)。設(shè)置參數(shù)如下：物方數(shù)值孔徑為 0.016，物高為25mm，物方半視場(chǎng)高度為12.5mm。此時(shí)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如 圖3所示。從MTF圖和像差圖可以看出該顯微物鏡的成像質(zhì)量還不是很好，需要對(duì)其進(jìn)行 自動(dòng)優(yōu)化校正。tpNF：TgfigJERSE f 用nlotIBIS HRS ND TliUg thu 7ul e me* HAxMuri scale： I LfiLiKha lUEMfiSCL 村I3 739.H2SFfiTIRL FR&QU&CY D4 CfCLEE PE

10、P fllLLMTEHCOHUglRRTI：DH 1 * 1LE：6 HAS HO TITLE.Fhli Jll 9 20 國(guó) MTA 四 S.H&EiL TO虬能H NlCeONt.圖3初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)仿真圖2、自動(dòng)優(yōu)化首先，建立自動(dòng)優(yōu)化函數(shù)。具體過(guò)程如下：選擇Editors Merit Function,彈出MeritFunction Editor 對(duì)話框，在Type欄中輸入EFFL，并將Target定為6.930840，Weight值取 1.0； 其次，選擇 Editor對(duì)話框工具欄中的ToolsDefault Merit Function,設(shè)置Optimization and Refer

11、ence為RMSWavefrontCentroid；最后，選擇確定按鈕進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。自動(dòng)優(yōu)化后，顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)如下:Surf:TypeCoirjr.entRadiusThicknessG1 mm 2SenLi-Diair.eterOBJStandardInfinity165-35S00012.5000001Standsrd-G.7S11S7V2.029529VZF73-4S3511Standard-9.2S103V2.7000003.9742373Standard10.7341101.950000ZK34_17434Standard41.39692V7-5000004.00S015STO

12、StandardInfinity7-400000N . 94355Standsrd9.271757V2.3S0000ZK92.5397517Standsrd-S.287249V1.190000ZF72.4911493Standard-S5.0SS2S9-3200002.41S4709Standard3.252S91V4.0S0000ZBAF32.28302010Standard2_8923731,0000000.92573911StandardInfinity0-170000R90_5330712StandsrdInfinity-0000000.4S4331ItiAStandardInfini

13、ty0.500000U圖4顯微鏡物鏡優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖圖5自動(dòng)優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖3、最終仿真參數(shù)分析SFRTLfiL FREDUEhCT IN C1CLK 咬 HLLLIffiTERH TITLE-THU TdL 9 2DHDfirn FQP B.ME：6L TD 10.6563 TOZCSW.HI由圖可看出:物方數(shù)值孔徑NA=0.3721605，與要求的0.4很接近;初始設(shè)定的物高為12.5,仿真得像高為0.498，則放大倍數(shù)m=25.1,與要求的放大倍數(shù)25倍十分接近。最終的仿真參數(shù)基本符合設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)總結(jié)在課程設(shè)計(jì)剛開(kāi)始的時(shí)候，對(duì)于ZEMAX軟件我也是沒(méi)有接觸過(guò)，第一個(gè)任 務(wù)是安裝軟件，學(xué)習(xí)

14、軟件。從網(wǎng)上查詢資料，去圖書(shū)館查閱相關(guān)書(shū)籍，到對(duì)軟件 以及設(shè)計(jì)的過(guò)程有了初步了解，首次認(rèn)識(shí)就要利用它來(lái)設(shè)計(jì)，感覺(jué)是件很困難的 事。在后來(lái)的不斷實(shí)踐中，在學(xué)習(xí)使用軟件的過(guò)程中，對(duì)這次設(shè)計(jì)的概念越來(lái)越 清晰，初步掌握了對(duì)于軟件優(yōu)化過(guò)程中的一些小技巧，比如說(shuō)設(shè)置不同的鏡片為 孔闌得到的結(jié)果是不一樣的；優(yōu)化過(guò)程中可以采取在小視場(chǎng)范圍中優(yōu)化，然后看 整個(gè)視場(chǎng)的成象質(zhì)量，這樣往往會(huì)比在整個(gè)視場(chǎng)優(yōu)化效果好，最終完成了我們這 次的設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)的結(jié)果不是很理想，但是通過(guò)這次的實(shí)踐，我對(duì)于光學(xué)顯微 鏡的結(jié)構(gòu)有了更加深刻的理解，對(duì)于ZEMAX軟件也有了一定的認(rèn)識(shí)，也掌握了 簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思路。這次實(shí)驗(yàn)中我學(xué)會(huì)了許多東西，ZEMAX軟件的基本使用方法， 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路與步驟，更重要的是一種學(xué)習(xí)的方法。整個(gè)設(shè)計(jì)個(gè) 過(guò)程比較艱難，但是結(jié)果還是比較令人欣慰。設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)不斷調(diào)試的過(guò)程，需要有充足的時(shí)間和極大的耐心，設(shè)計(jì)也 充分體現(xiàn)了我們對(duì)于理論知識(shí)掌握的程度跟我們的動(dòng)手能力。在設(shè)計(jì)中，我深刻 體會(huì)到理論一定要用于實(shí)踐，理論的東西在很大程度上都偏離了實(shí)際，只有在實(shí) 際實(shí)踐過(guò)程中才能不斷加深我們對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)跟掌握，不斷完善我們的理論 體系。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師和同 學(xué)們的幫助支持下，終于都一