光学设计-光学课程设计 20100229 秦阳

光学设计作业生物显微镜光学系统设计一、实验目的1了解光学系统设计的基本步骤，学会基本外形尺寸的计算。2熟悉ZEMAX软件的操作，了解操作要领，学会应用基本的相差评价函数并进行优化。二、实验器材ZEMAX软件、相关实验指导书、几何光学指导书三、设计要求1）设计报告和镜头文件。镜头文件包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。2）技术参数（1）目镜放大率18（2）沿光轴，物镜第一面到目镜最后一面沿光轴的几何距离（MM）150（3）物镜放大率19（4）其他参数自定3）其他要求1视场大小自定，尽可能大些。一般达到商用仪器的一半2可以不加棱镜和分划板。3如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理（4）采用白光。四、具体设计1系统结构设计思路1系统结构框图物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45角，以便于观察和瞄准（此处可以不加设计）。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。（图1显微镜系统结构图）2等效光路原理图（图2显微镜无光轴偏转的等效光路图）2外形尺寸计算1首先绘出光学系统的等效光路原理图。如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。2求实际放大率1918342实际放大率目镜放大倍率物镜放大倍数3目镜焦距250/1813889MM4）显微镜焦距250/3420731MM3光学部件的结构形式1）显微镜物镜的光学性能参数主要性能参数是数值孔径，垂轴放大率，视场。（图3显微物镜）可选取低倍物镜36倍，如上图所示2显微镜目镜的光学性能参数像方视场角,焦距,出瞳距，工作距离（图4显微目镜）4光学系统的拼接和优化1）物镜设计及优化在物镜库中选取放大率接近19的物镜，输入参数，经过优化后物镜成品参数图如图5所示（图5显微物镜参数）在像方焦点处设置孔径光阑，并在通用设置中将物面空间中，限制NA055。设置物高为02290866MM和03214686MM，光路图如图所示。图6（显微物镜光路图）（图7显微镜物镜数据）设置评价函数为默认类型，并限制PMAG放大率为为19，物镜部分性能函数如图8图9，可见物镜成像较为会聚满足设计要求（图8物镜标准点列图）图9物镜MTF传递函数2）目镜设计从目镜库中选择放大倍率接近18倍的目镜，因目镜成像于无穷远处，为便于分析成像质量，在目镜后添加一块理想透镜对目镜的像进行会聚，参数和光路图如图10图11所示（图10显微目镜参数）（图11显微目镜光路图）目镜的数据如图12，等效焦距约为13889MM目镜成像分析从光路图中可看出目镜对近轴光线放大后成像效果较好，而对离光轴较远处的光线成像不好，表现在出射光不平行图12显微目镜数据（图13显微目镜点列图）3）显微镜组合及优化按显微镜长度要求，计算物镜长度，然后对做好的物镜进行缩放，选择将目镜拼接至物镜的方法，并适当修改分划板到目镜的距离使系统长度在150MM，并优化理想透镜的物距使成像为一点，优化后参数及光路图如图14图16所示，成像细节如图15所示（图14显微镜优化后参数）（图15显微镜光路图）（1）显微镜系统数据仅从目镜最后一面到物面沿光轴的部分如图18所示，从目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离为280MM，与要求相比误差极小，系统有效焦距为8443476MM，对应放大率是29608，基本上符合30倍的总放大率要求（图16显微镜成像细节）（2）从成像细节上不难看出出射光线基本满足平行光，且较好地汇聚在了像屏上（图17显微镜结构数据）（图18显微镜物镜第一面到目镜最后一面）显微镜成像分析图19显微镜成像点列图（图20显微镜MTF传递函数）从图19图20可看出显微镜成像虽不是太均匀，但是较为集中，且画面失真较小，衍射现象不是太明显，满足应用需求四、结果评价1）物镜成像点比较集中，基本达到了要求值。点列图及AIRYDISK值较大，说明成像质量还可以提高。优化是可以通过默认优化函数的PMAG操作数控制物镜的放大倍率。2）此次设计应注意对组合后的显微镜不能进行整体优化，只能通过分别对显微物镜和目镜进行优化，然后组合拼接。3）次光学系统未添加棱镜。如果添加棱镜棱镜和玻璃平行平板对像质影响相同，故可用玻璃平板表示棱镜，玻璃平行平板厚度通光口径K，其中K值由棱镜类型确定，棱镜的选取视偏转角度，用户需求等而定五