顯微物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì).doc

安徽工業(yè)大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)光學(xué)軟件課程設(shè)計(jì)課程報(bào)告 年級(jí)： 光信息科學(xué)與技術(shù)10級(jí)1班 姓名： 孫標(biāo) 指導(dǎo)教師： 王偉 日期： 2013年6月23日星期六 目錄一、摘要二、用法進(jìn)行顯微物鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)三、原始系統(tǒng)參數(shù)輸入及像質(zhì)評(píng)價(jià)四、利用ZEMAX做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)五、結(jié)論 基于ZAMAX的低倍消色差顯微物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：顯微鏡系統(tǒng)是用來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，以獲得較大的清晰視場(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)低倍消色差顯微物鏡的設(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)。關(guān)鍵詞：顯微鏡物鏡；場(chǎng)曲；Zemax二、用法進(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=-3，數(shù)值孔徑=0.1，共軛距離=195mm，物方線視場(chǎng)=1mm，工作距不能太小 ）該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下：（尺寸單位均為mm）（一） 按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求選取合適的結(jié)構(gòu)形式由于上述要求知，當(dāng)=-3，NA=0.1，即物方孔徑角近似為-0.1，=-0.1，相應(yīng)的象方孔徑角=-0.033，物鏡的總偏角=-=0.133。通常消色差的雙膠合物鏡能負(fù)擔(dān)的偏角小于0.15，因此透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖：（二） 求物鏡的焦距、物距和像距根據(jù)f=-l/(1-)設(shè)計(jì)要求共軛距為195mm,考慮到透鏡組有一定主面間隔，我們?nèi)=190mm, =-3代入上式得 ： f=35.625mm物距l(xiāng)和像距l(xiāng)分別為：l=-f(1-1/ )= -47.5mml= *l= 142.5mm設(shè)計(jì)顯微物鏡時(shí)，通常按反向光路進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)檫M(jìn)行系統(tǒng)的像差計(jì)算時(shí)，物距l(xiāng)是固定的，在修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，透鏡的主面位置可能發(fā)生改變，上面計(jì)算出來的物平面到主面的距離隨之改變，當(dāng)按正向光路計(jì)算像差時(shí)，由于| |1，軸向放大率則更大（a = ）。因此共軛距和物鏡的倍率將產(chǎn)生大的改變，偏離了物鏡的光學(xué)特性要求。如果按反向光路計(jì)算，對(duì)應(yīng)的垂軸放大率| |1，軸向放大率則更小，這樣就能使共軛距和倍率變化很小。反向光路對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)特性要求為：l=-142.5mm,l=47.5mm, =1/-3=-0.33,sinU=0.1/-3=-0.033（三）原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初級(jí)像差求解（1）根據(jù)像差要求，求出P,W,C由于顯微鏡的物鏡和目鏡都要互換使用，因此設(shè)計(jì)顯微鏡的物鏡和目鏡時(shí)，一般都不考慮它們之間像差的相互補(bǔ)償，而采取分別獨(dú)立校正，所以要求物鏡的球差，正弦差和軸向色差都等于零，故有P=W=C=0（2）將P,W,C 歸化成P,W , CP=W=C=0，故P=W =C=0由于物平面位在有限距離，還要將P,W 對(duì)物平面位置進(jìn)行歸化，根據(jù)P=P-u(4 W-1)+u(5+2v)W= W-u(2+v)其中 u=f/l=35.625/-142.5=-0.25;帶入得： P=0.15W=0.675（3）求P0 ，根據(jù)P0 ，C查表選玻璃P0=- P-0.85（W-0.15）=-0.0843，C=0查附表 2 選玻璃，對(duì)顯微物鏡，在反向光路的情形，一般去冕玻璃在前。得到最優(yōu)玻璃組合：BaK7 : n1 =1.5688 v= 56ZF3: n2 =1.7172 v = 29.5根據(jù)插值法得到：P0 = -0.11, Q0 = -4.3(4) 求半徑1=2.113; 2=-1.113; Q=Q0- (W-0.15)/1.67=-4.614求得曲率： 1/r2=-2.501; 1/r1=1.214; 1/r3=-0.949按焦距 f = 35.625mm縮放半徑得到：r1= 29.3451mm;r2= -14.2443mm;r3= -37.5395mm整個(gè)物鏡的參數(shù)為： l=-142.5,y=-10,sinU=-0.033,lz=0三、原始系統(tǒng)參數(shù)輸入及像質(zhì)評(píng)價(jià)在 General Lens Data中，輸入入瞳直徑為20，采用中國(guó)玻璃庫(kù)。視場(chǎng)選擇0、0.021、0.03 三個(gè)視場(chǎng)，波長(zhǎng)選擇“Select F，d，C”。由上述計(jì)算可知，原始系統(tǒng)的參數(shù)輸入如下：物距為142.5mm，由于透鏡厚度未知，可將雙膠合物鏡的正透鏡設(shè)為邊緣厚度0.1自動(dòng)求解，即加注后標(biāo)E，如上圖所示。輸入各表面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及玻璃材料之后，得到光學(xué)系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖，點(diǎn)列圖如下所示：從圖中可看出，系統(tǒng)成像質(zhì)量較差，需要優(yōu)化四、利用ZEMAX做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)下面利用ZEMAX的自動(dòng)優(yōu)化功能做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)，自變量選擇所有的半徑(r1,r2,r3)并將其設(shè)為變量V。評(píng)價(jià)函數(shù)采用Default Merit Function 中默認(rèn)的操作數(shù)，加入的操作數(shù)有焦距EFFL，將目標(biāo)值Targets 設(shè)為35.625，權(quán)重Weight 設(shè)為1。軸向放大率PMAG，目標(biāo)值為0.33，權(quán)重也為1。由于要保證物鏡的共軛距離190，因此加入控制系統(tǒng)長(zhǎng)度的操作數(shù)TOTR，此操作數(shù)代表系統(tǒng)第一表面到像面距離，由于物距已固定為142.5mm，因此將TOTR 目標(biāo)值設(shè)為195-142.5=52.5mm，權(quán)重也設(shè)為1。此外，要控制物鏡的色差，加入操作數(shù)AXCL，值設(shè)為0，權(quán)重為1。然后使用Optimization自動(dòng)優(yōu)化，得到數(shù)據(jù)如下：優(yōu)化后系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖和點(diǎn)列圖如下：五、結(jié)論：1、要完成一個(gè)簡(jiǎn)單光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)任務(wù)，首先需要根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸，其次根據(jù)像差的知識(shí)對(duì)鏡頭參數(shù)進(jìn)行估算，并根據(jù)估算結(jié)果選擇玻璃型號(hào)以及計(jì)算鏡片參數(shù)，最后通過計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)出的鏡頭，并使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以達(dá)到更理想的效果。2、在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，如果玻璃參數(shù)選擇錯(cuò)誤，無論如何優(yōu)化，可能都無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3、從圖中可看出系統(tǒng)點(diǎn)列圖的均方根半徑已經(jīng)有所改善，但是幾個(gè)操作數(shù)實(shí)際值距目標(biāo)值還有一定距離，需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。當(dāng)然由于個(gè)人水平有限，優(yōu)化結(jié)果并不是很好，請(qǐng)老師給予批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)： 1 毛文煒. 光學(xué)鏡頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)M . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009. 2 郁道銀, 談恒英. 工