華科應(yīng)光課程設(shè)計(jì)顯微鏡的設(shè)計(jì)

應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)低倍顯微鏡設(shè)計(jì)學(xué)院：光學(xué)與電子信息學(xué)院專業(yè)：光電信息工程班級(jí)：光電1209學(xué)號(hào)：U201214…姓名：...2015年1月15日目錄一．選題背景及參數(shù)說(shuō)明 31.1選題背景及意義 31.2顯微鏡主要技術(shù)指標(biāo)及說(shuō)明 4二．外形尺寸計(jì)算 42.1顯微物鏡初始結(jié)構(gòu)計(jì)算 42.2顯微鏡目鏡的選取 9三．系統(tǒng)的優(yōu)化 103.1物鏡像差容限的計(jì)算： 103.2物鏡優(yōu)化： 103.3目鏡優(yōu)化 163.4系統(tǒng)結(jié)果 23四．光學(xué)系統(tǒng)零件圖 26五．總結(jié)與心得體會(huì) 28一．選題背景及參數(shù)說(shuō)明1.1選題背景及意義光學(xué)顯微鏡（OpticalMicroscope，簡(jiǎn)寫(xiě)OM）是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。顯微鏡作為一種精密的光學(xué)儀器，已有300多年的發(fā)展史。自從有了顯微鏡，人們看到了過(guò)去看不到的許多微小生物和事物的細(xì)小單元。不僅有能放大千余倍的光學(xué)顯微鏡，而且有放大幾十萬(wàn)倍的電子顯微鏡。人類(lèi)在科學(xué)史上的多次重大發(fā)現(xiàn)都離不開(kāi)顯微鏡的功勞。下圖為顯微鏡結(jié)構(gòu)原理圖。顯微鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2顯微鏡主要技術(shù)指標(biāo)及說(shuō)明顯微鏡的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)所需要觀察的對(duì)象決定的。顯微鏡的放大率由倍率公式Γ=βΓ=顯微鏡總放大倍率β1：物鏡的放大倍率，Γ選擇適宜的倍率為β1＝-4*顯微鏡的機(jī)械筒長(zhǎng)通常是標(biāo)準(zhǔn)化的，我國(guó)目前的標(biāo)準(zhǔn)為160mm；二．外形尺寸計(jì)算2.1顯微物鏡初始結(jié)構(gòu)計(jì)算顯微鏡的成像原理示意圖用PW法計(jì)算顯微物鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù)具體方法如下：選型：一般選擇的顯微物鏡的共軛距離為190mm，由于設(shè)計(jì)的是低倍顯微鏡故選擇物鏡的垂軸放大率為-4*。數(shù)值孔徑為0.1，物高為2β=1解此方程求得：f‘=30.4mm，l=-38mm，（2）用PW法計(jì)算顯微物鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù)具體方法如下：選擇結(jié)構(gòu)型式及確定基本像差參量，低倍顯微物鏡視場(chǎng)很小，數(shù)值孔徑也不大，只要求校正球差、正弦差和位置色差，選取雙膠合物鏡便可滿足要求。取共軛位置的像差參量為CI=0,P必須把像差參量進(jìn)行規(guī)化。已知數(shù)值孔徑NA=n1sinUUu則像差公式可

CP=0-0.8+0.64*5+2*0.7W（3）、選擇玻璃當(dāng)W∞是較大的負(fù)值時(shí)，盡量取火石玻璃在前為宜?？梢允闺p膠合物鏡膠合面半徑較大，使得高級(jí)像差小一些P0==3.296-0.85根據(jù)P0和CI的值，查表可選擇F3和φ1=-1.095808，A=2.462220C=65.4475，K=1.731110，L=-9.15655Q0=5.1545526，P0=0.025670，P=0.821632，n1=1.6164，n（4）求形狀系數(shù)Q==6.306127或4.002924Q=取Q=4.002924。（5）由Q求透鏡各面規(guī)化的曲率ρ=1.129361ρρ=-1.392859（6）由Q求透鏡各面規(guī)化的曲率rr（7）現(xiàn)將該透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)整理如下：物距l(xiāng)=-38mm入射光瞳2h=7.6mm r d玻璃牌號(hào)rdF3r2=10.4571dQK3r（8）、求厚透鏡各面的球面半徑。光學(xué)系統(tǒng)初始計(jì)算得到結(jié)果以后，必須把薄透鏡換成厚透鏡，其步驟如下：①光學(xué)零件外徑的確定。根據(jù)設(shè)計(jì)要sinU1=0.1物距l(xiāng)‘=146.5mm，可算出通光口徑D=15.28mm。透鏡用壓圈固定，其所需余量由手冊(cè)查得余量為1.5mm，由此可得透鏡的外徑為②光學(xué)零件的中心厚度及邊緣最小厚度的確定。查表可得邊厚t=1mm，中心最小厚度d=1.0。為了保證透鏡在加工中不易變形的條件下，其中心厚度與邊緣最小厚度以及透鏡外徑之間必須滿足一定的比例關(guān)系：對(duì)凸透鏡：高精度3d+7t≥D中精度6d+14t≥D其中還必須滿足d對(duì)凹透鏡：高精度8d+2t≥D且d≥0.05D中精度16d+4t≥D且d≥0.03D式中，d為中心厚度，t為邊緣厚度。具體結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)上面公式，可求出凸透鏡和凹透鏡的厚度。凹透鏡：8d+2t=D

t=式中x1x=r±根據(jù)圖雙膠合透鏡將已知數(shù)據(jù)代入可求得x1=1.67mm，t=d凸透鏡：3d+7t=Dt=式中x2x=r±式中r為折射球面半徑，D為透鏡外徑。根據(jù)圖雙膠合透鏡將已知數(shù)據(jù)代入可求得x3然后，再將它帶入式求得凸透鏡最小邊緣厚度：

t=凸透鏡最小中心厚度：

d③在保持u和u’角不變的條件下，把薄透鏡變換成厚透鏡。薄透鏡變換成厚透鏡時(shí)，要保持第一近軸光線每面的u和u’角不變，由式P=?U?1/n2?un和式W（9）最終可得物鏡： r d玻璃牌號(hào)rdF3r2=10.4571dQK3r2.2顯微鏡目鏡的選取目鏡放大率選取為20左右，焦距fe’=250/Γ=250/20=12.85。查閱光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)P282，根據(jù)所需參數(shù)選取目鏡2-02：選用的玻璃分別為BK7,BK7和F5三．系統(tǒng)的優(yōu)化3.1物鏡像差容限的計(jì)算：根據(jù)之前的計(jì)算，已基本得到了雙膠合物鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。現(xiàn)在我們知道：物距：38mm，入瞳直徑：7.6mm。因?yàn)槿胪谖镧R上，所以第一面為STO面，各面曲率半徑已知。焦距30～31mm為合格；放大倍率-3.85～-4.25為合格3）像差容限i)球差：根據(jù)瑞利判斷準(zhǔn)則，系統(tǒng)所產(chǎn)生的最大波像差由焦深決定。令其小于或等于1/4波長(zhǎng)，即可得到邊光球差的容限公式為：

δii)慧差：我們用慧差代替正弦差SC≤0.0025，即慧差Ks’=Sciii）波色差：WFC3.2物鏡優(yōu)化：輸入初始結(jié)構(gòu)如下：優(yōu)化之前光路圖為：優(yōu)化之前各圖為：優(yōu)化SPHA球差,TRAY弧矢彗差,AXCL軸向色差，并且目標(biāo)有效焦距EFFL為30.4mm，放大率PMAG設(shè)定為-4。優(yōu)化之后數(shù)據(jù)圖如下：優(yōu)化后各圖變?yōu)椋和ㄟ^(guò)與優(yōu)化前的比較可看出，點(diǎn)列圖明顯得到優(yōu)化，Rayfan圖和OPDfan圖數(shù)值有了明顯優(yōu)化。基本符合要求。從systemdata里讀出物鏡有效焦距為30.552313mm，符合設(shè)計(jì)要求。像差的seidelcoefficients如圖從該表中可以看出像差各項(xiàng)較小，符合設(shè)計(jì)要求。球差，色差和弧矢彗差等得到了校正。3.3目鏡優(yōu)化根據(jù)所選取的目鏡，在zemax里輸入相應(yīng)的初始參數(shù)，目鏡反向設(shè)計(jì)得到如下圖示：優(yōu)化之前光路圖為：優(yōu)化前各圖為：可見(jiàn)直接從光學(xué)手冊(cè)里獲得的目鏡誤差極大，需要進(jìn)行優(yōu)化。所需優(yōu)化的值為SPHA(球差)，,COMA彗差,TRAY弧矢彗差,AXCL軸向色差，并且目標(biāo)有效焦距EFFL為11.953mm。優(yōu)化后各圖為：像差的seidelcoefficients如圖讀出其有效焦距為11.953116，符合設(shè)計(jì)要求。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，點(diǎn)列圖得到了很好的優(yōu)化。光路圖也較為理想。Rayfan圖和OPD圖從前后圖可以看出前后誤差變化得到了較好的優(yōu)化。3.4系統(tǒng)結(jié)果將以上優(yōu)化好的數(shù)據(jù)顯微鏡系統(tǒng)示意圖可得如下優(yōu)化之后數(shù)據(jù)。優(yōu)化之后的系統(tǒng)參數(shù)如圖所示：Seidelcoefficients為：MTF函數(shù)圖為：系統(tǒng)光路圖為：由于系統(tǒng)較長(zhǎng)，故上圖顯示得不太清晰，從上圖可看出系統(tǒng)總長(zhǎng)度為211.62326mm。符合顯微鏡的設(shè)計(jì)要求。除去40mm的物方入射距離以及10mm設(shè)定的出射距離，恰好物鏡與目鏡的距離161mm。與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)筒長(zhǎng)距離相符。所以最初設(shè)計(jì)的系統(tǒng)各部分分別經(jīng)過(guò)zemax優(yōu)化后，組合系統(tǒng)符合最初的設(shè)計(jì)要求，像差在較為理想范圍內(nèi)，可以正常工作，所以該項(xiàng)目基本得到實(shí)現(xiàn)。四．光學(xué)系統(tǒng)零件圖這里我來(lái)繪制雙膠合物鏡雙凸透鏡零件的圖，在已優(yōu)化的數(shù)據(jù)讀出兩面半徑分別為7.315504和-40.84669厚度為5.79。在systemdata里讀出透鏡高度為7.72881。畫(huà)出零件圖，并進(jìn)行標(biāo)注。零件材料為QK3玻璃，類(lèi)型為雙凸透鏡。折射率為n2R1=7.315504，R2=-40.84669f△=d-f1’+f2=141.18f’=-f1’f2’/△=19.71D=32.81246雙凸透鏡雙凸透鏡雙凸面鏡零件圖：五．總結(jié)與心得體會(huì)通過(guò)幾周的不斷的設(shè)計(jì)，終于完成了這篇光學(xué)設(shè)計(jì)。頓時(shí)感覺(jué)辛苦的完成一件任務(wù)，一種成就感發(fā)由身心。設(shè)計(jì)的過(guò)程可以說(shuō)是一波三折，在設(shè)計(jì)中遇到各種各樣的問(wèn)題。有些問(wèn)題讓我苦惱了好幾天。通過(guò)各種請(qǐng)教老師和同學(xué)還有去圖書(shū)館查閱資料。雖然大部分資料都比較深入，資料理解難度比較大。但最終還是堅(jiān)持下來(lái)了，圓滿的完成了光學(xué)課程設(shè)計(jì)。以下是此次設(shè)計(jì)的一些收獲：1.通過(guò)這次光學(xué)設(shè)計(jì)加深了原先很多光學(xué)知識(shí)的印象和理解，通過(guò)不斷在設(shè)計(jì)中解決問(wèn)題，以前很多不明白內(nèi)容，現(xiàn)在逐漸明白它們?cè)?/p>