显微镜-课程设计说明书.docx

中北大学光学设计课 程 设 计 说 明 书2017 年 6 月 26 日 中北大学课程设计任务书 2016/2017 学年第 2 学期下达任务书日期: 2017 年 6 月 5 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本设计目的是设计显微镜，利用ZEMAX软件设计系统，掌握显微镜的设计方法，完成系统设计。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1、设计内容:学习显微镜的工作原理，掌握显微镜的特性，并根据其特性在zemax中构建显微物镜的初始模型，根据参数要求进行光路仿真和性能优化。设计一种李斯特型显微物镜，采用两个相距较远的双胶合透镜，进行优化，使像质评价达到衍射极限。2、技术指标:(1) 物镜放大倍率为5，10,12任选一个；(2) 数值孔径NA为0.25；(3) 物到像总距离为195mm；(4) 有效焦距为16.25mm；(5) 物体直径为1.8mm；(6) 波长0.51 um,0.55 um,0.61um；(7) 初始胶合玻璃为K5和F2；(8) 玻璃厚度最小值2mm，最大值12mm，边缘最小厚度2mm。 （9）选用合适的10倍放大倍率目镜，完成显微镜系统设计和优化。3、设计要求：(1) 要求掌握显微物镜的工作原理和设计方法，学习zemax软件的使用；(2) 进行光路仿真优化，进行像质评价分析,撰写设计总结报告。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1显微镜相关参数设置；2 zemax光路仿真程序，仿真结果；3 课程设计说明书。4主要参考文献格式：1 林晓阳编著. ZEMAX光学设计超级学习手册. 北京：人民邮电出版社, 2014.04.2 张国顺光纤传感技术北京：水利电力出版社19883 李泽民光纤通信北京：科学技术文献出版社19924 华家宁现代光学技术及应用南京：江苏科学技术出版社19945 陈军现代光学及技术杭州：浙江大学出版社19966 苏显渝信息光学成都：四川大学出版社19957 胡鸿章应用光学原理北京：机械工业出版社19938 日内顺平光学概论北京朝仓书社19875设计成果形式及要求：1 zemax光路仿真图；2课程设计说明书。6工作计划及进度：2017年06月05日2017年06月9日 下达设计任务书，学生熟悉设计内容；2017年06月10日2017年06月12日 查阅参考资料，确定基本设计方案；2017年06月13日2017年06月16日 基本参数计算，仿真设计；2017年06月17日2017年06月20日 系统优化设计；2017年06月21日2017年06月22日 完成课程设计报告；2017年06月23日 课程设计答辩。学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日目录第一章 绪论21.1 显微镜物镜系统的特点21.2 物镜基本类型21.3 初级像差理论2第二章 显微物镜设计及相关参数22.1 所采用的设计方案22.2 系统的特点及主要像差22.3 初始结构参数确定21、 参数计算22 、确定像差校正方程23 、确定第二块透镜的结构2第三章 ZEMAX优化设计23.1 初始结构的像质分析23.2 优化设计23.3 像差分析21、 设置评价函数22、开始优化23、继续优化2第四章 系统装配图及镜片工程图2第五章 心得体会2摘要：显微镜是有着漫长发展史的经典光学仪器之一，它的性能在不断提高，但显微物镜工作距离短在很大程度上限制了其应用。随着市场对长工作距离显微镜的迫切需求，其研发将具有重要意义。本文根据设计要求，初定物镜结构，然后利用ZEMAX 进行设计、优化，给出了一工作距离195mm、线视场0.8、放大倍率10倍、分辨力6m 的显微物镜并且对它进行优化。关键词：显微物镜，优化，zemax主要任务：查阅相关资料资料、借书。（主要是帮助其他人一起解决问题，还看了下显微物镜初始结构的设计，结果不理想） 在zmax超级手册中查阅到了关于10倍显微物镜的设计，其中谈到了第一章 绪论 1.1 显微镜物镜系统的特点显微物镜光学特性的特点是：焦距短、视场小，相对孔径大。因此设计显微物镜主要校正轴上点和小视场像差：球差、轴向色差和正弦差。对于较高倍率的显微物镜，由于数值孔径加大，除了校正上述三种像差的边缘像差外，还必须同时校正孔径高级像差，如孔径高级球差、色球差、高级正弦差。对于轴外像差，例如像散、垂轴色差，由于视场比较小，一般允许视场边缘的像质下降，在设计中，只有在保证前三种像差校正的前提下，在有可能的条件下加以考虑。 1.2 物镜基本类型物镜的分类：一、 按象差校正程度分类物镜的种类及象差校正程度：1消色差物镜红、蓝波区校正黄、绿波区校正存在2复消色差物镜红、绿、蓝波区校正红、蓝波区校正存在3半复消色差物镜红、蓝波区校正红、蓝波区校正存在4平场物镜存在存在已校正5平场消色差物镜红、蓝波区校正黄、绿波区校正已校正6平场复消色差物镜红、绿、蓝波区校正红、蓝波区校正已校正二、按功能分类1.相差物镜（Phase Contrast objective）：一般带有“PH”标志，字体用绿色。这种物镜是相差（相衬）镜检术的专用物镜，其特点是在物镜的后焦平面处装有相位板。用来观察无色透明的标本或活细胞，倒置显微镜上使用广泛。2. DIC物镜：一般要求半复消色差或复消色差物镜，用于DIC镜检观察无色样品或细胞，图像呈现立体感。3. HMC物镜：标有“HMC”标志，一种类似于相差物镜的物镜。观察效果有立体感。用于霍夫曼观察，但不能用于荧光观察。4.偏光物镜：一般标有“POL”字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光观察的物镜。5.荧光物镜：这种物镜的荧光透过率非常高，物镜用于对离子位移进行定性和定量的分析以及用于特别关键的荧光技术（如人类染色体的研究以及细胞遗传学）。这类物镜的突出特点是它们对340nm起的波长有特别高的数值孔径和高传输率（340nm时约为70%！）。视场平直足可以使用CCD照相。6. TIRF专用物镜：要求数值孔径大，NA一般为1.451.65。如尼康公司的APO TIRF 60/100 1.49物镜。7.多功能物镜：有的厂家生产一些多功能物镜，可以同时做相差、DIC、荧光等观察。例如奥林巴斯的UPLANFLN（万能平场半复消色差）物镜和蔡司的EC PLAN NEOFLUAR（高衬度平场新荧光）系列物镜。 1.3 初级像差理论1、球差因为照相镜头前端的球面上的每一点的镜头聚焦能力并不是相同的。从远处照射来的平行光应该收敛在特定的焦点。但由于近轴光线和远轴光线的汇聚点不是同一个点,从而汇聚但不会成为一个点光源,而是集中在一个以光轴为对称中心线的弥散圆,称为球面像差畸变。因为球面像差的存在,导致成像模糊,从图 2-5 可以明显看出,模糊与光圈的大小有很大关系。当处于小光圈时,光圈阻止光的远轴光线,弥散斑的直径就变得比较小,成像便是清楚的。当光圈变大的时候弥散斑直径变得相对较大,从而导致图像变得模糊。2、慧差慧差是主轴外某一轴外点进行成像的时候产生的像差。从光轴发射出一束水平的光通过光学系统,得到的图像呈现在平面上并不是一个点,产生一个不对称的分散点,分散点的形状貌似一颗彗星,由内至外分散的光由薄到厚,头端明亮、清晰、广泛的尾端,暗淡,模糊。类似这样的离轴光束形成的像差被叫做慧差。慧差的孔径大小受到光圈和视场的制约。我们也可以在适当的时候使用较小的光圈来降低慧差对拍照产物的干扰。3、 场曲和像散当使用存在场曲的透镜进行拍摄时,只有调焦至中心时影象才能清晰,而四周的影像却是模糊的,当调焦到四周影像清晰的时候,画面的中心位置却开始模糊,在平直的象平面上无法获取中心与四周同时清晰的像。可以理解为一种轴外形成的像差1。但是较慧差有许多差异，像散只与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的汇聚点与弧失光束（镜头圆弧方向）的汇聚点位置不同，这种现象称为像散。像散就好似人眼的散光一个意思。一旦人眼散光，在两个方向上的晶状体曲率产生差异，导致看到的事物分散成一条短线。4、畸变指的是所成的像的形状发成了形变。畸变只会对象与物的相似度产生影响，但是不会使像的清晰度受影响。因为畸变,导致物方的直线在像方看来就成为了一条弯曲的线，从而导致失真的效果。畸变分为两种：枕型和桶型。产生畸变的根源是因为镜头像场中央横向放大率不同于边缘地带的横向放大率造成的。如图 2-7 所示,枕型畸变是由于左右两边的放大率上下两边的放大率造成的，而造成筒型畸变的原因恰恰与枕型畸变相反。镜头的畸变像差与透视畸变并非同一个意思，镜头畸变是由于镜头产生的，在设计镜头的过程中不妨使用非球面镜使畸变缩小甚至消除。而透视畸变是由视点、视角、镜头角度决定的，这才是透视畸变的不变规则。1.4 像差评价方法（1）球差曲线： 球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。（2）轴外细光束像差曲线： 这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T 和 S 分别表示子午和弧矢量，同色的 T 和 S 间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。（3）点列图：由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。，点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。图中的几个图分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列图，一要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，如，是否有明显像散特征，或彗差特征，几种色斑的分开程度如何，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。（4）调制传递函数 MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。(5)传函与离焦关系曲线图：此图表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢 MTF 与离焦量的关系，图中横坐标是离焦量，纵坐标是对比度，通过此图可以看出各视场的最佳焦面是否比较一致，MTF 是否对离焦比较敏感。此图在光学设计后期，精细校正时很有用。(6)光程差曲线：图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。第二章 显微物镜设计及相关参数 2.1 所采用的设计方案（包括初始结构的确定过程：利用初级像差理论计算或现有系统作为初始结构）由于系统的相对孔径很大，而且焦距又比较短，透镜厚度和焦距之比较大，厚度的影响已不能忽略。这类系统用薄透镜系统的初级像差求解，已经没有很大的实际意义，因此我们直接查找一个现有结构作为我们的原始系统。2.2 系统的特点及主要像差这类物镜的倍率大约为，数值孔径为。最常用的为：数值孔径，倍率。图1 李斯特物镜由于物镜的数值孔径加大，对应的相对孔径增加，孔径高级球差将大大增加，采用一个双胶合透镜已经不能满足要求。为了减小孔径高级球差，这类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合 。 如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差，即双胶合透镜的，这样整个物镜能同时校正轴向色差和倍率色差。两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这是因为如果两个透镜组密接，则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当，仍然只能校正两种单色像差，如果两个透镜组分离，则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统，最多可能校正四种单色像差，这就增加了系统校正像差的可能性，因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外，还有可能在某种程度上校正像散，以提高轴外物点的成像质量。对于球差和慧差也可以各自单独校正，但那样，每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后，一般总要留有一定量的负像散，再加上系统的不可避免的场曲，使得像面弯曲加重。所以还是两个双胶合透镜的球差、慧差相互补偿为好，这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同时，产生一定量的正像散以补偿场曲。这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”，象求解望远镜物镜那样用解析法求出其结构。也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计。在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下，对前、后双胶合透镜选几种弯曲，求出球差、慧差值，作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而改变的曲线。在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差相互补偿的弯曲。如果玻璃选择的恰当，总可以找出前、后双胶合透镜相互补偿的解。 2.3 初始结构参数确定(1) 物镜放大倍率为10； (2) 数值孔径NA为0.25；(3) 物到像总距离为195mm；(4) 有效焦距为16.25mm；(5) 物体直径为1.8mm；(6) 波长0.51 um,0.55 um,0.61um；(7) 初始胶合玻璃为K5和F2；(8) 玻璃厚度最小值2mm，最大值12mm，边缘最小厚度2mm。1、参数计算由于显微镜物镜的设计是反向光路，可以由数值孔径定出出射光线的孔径角，因此，物方孔径角为： （1-8） 总偏角为： （1-9）式中，为第一块透镜所负担的偏角，为第二块透镜所负担的偏角。这两个偏角需要设计者首先确定，一般可以，这样，就可以计算出和。由，可以得到 （1-10)由（反向光路）和（近似），得到物距（）和像距（），由此得到第一近轴光线在两个薄透镜上的入射高度：， (1-11)得到光焦度分配：， (1-12) (1-13) 可以得到： (1-14)因此，可以得到两个透镜之间的间隔： (1-15)给定的线视场，就是反向光路的像高，由此得到反向光路的物高： (1-16)由于入射光瞳在第一块透镜处，所以，。得到 (1-17) (1-18)这样，得到物面全部的外部参数：、。2、确定像差校正方程由于要使中倍显徼镜物镜在校正了球差、彗差、像散，而且两块透镜的像差互补，则(1-19) (1-20）（1-21）得到有关、的方程组。另外，两个双胶合透镜分别校正色差，则，。 3 、确定第二块透镜的结构以上三个方程式中共有四个未知数，因此存在无限多个解，另外，最后一个方程式中只包含、，与、无关，因此在上述偏角分配和空气间隔确定的情况下，系统的消像散条件只与第二个透镜组的结构有关，要使系统能够校正像散，则必须使这一方程式有解。把、规化， （1-22)， (1-23) (1-24)代入前面公式整理以后得： (1-25)再由， (1-26）得到方程 （1-27）利用、之间的关系： （1-28）得到有关的一元二次方程： （1-29）若要求系统消像散，此方程必须有实根，由此可以得到第二块透镜的（即）满足的条件。这样，选定第二块透镜的，再加上，就可以确定第二块透镜的玻璃组合。进一步，就得到第二块透镜的初始结构。4、确定第二块透镜的结构有了，就可以计算出；有了，就可以计算出；有了、，就可以计算出、；有了、，就可以计算出、；有了、，就可以解方程，从而得到、；有了、，就可以计算出、；有了、，就可以计算出、；有了、，就可以计算出第一块透镜的值（即）。再加上，就可以确定第一块透镜的玻璃组合。进一步，就得到第一块透镜的初始结构，如下图： 图1-2初始结构第三章 ZEMAX优化设计 3.1 初始结构的像质分析可以看出图2光斑效果还比较理想，只须在这个的基础上进行优化，从图3曲线可以看出各视场在650线时仍不太满足设计要求，可以通过改变波前差来提高。图3 优化前的MTF 图2 优化前的光斑图 图4 优化前的RAY3.2 优化设计由图5可看出系统光斑各视场均在2微米左右，光斑效果有了明显提高，MTF曲线也有了提高。 图5 优化后的光斑图TU从MTF曲线来看，各视场均在650线队时仍不太满足要求，如图6图6 优化后的MTF图7 优化后的MTF 3.3 像差分析1、设置评价函数选择“Tools-Default Merit Function”来设置评价函数。将输入“INSA”控制像空间孔径为“0.25”，“REAY”控制像面为“-0.9”，“TTHI”控制系统总长为“195”。如图8 图8 2、开始优化 从初始值MF值和优化后的MF值可看出系统像质得到的很大的提高。通过快捷键“opt”来进行优化。如图9 图93、继续优化为了进一步提高系统的MTF，可通过优化波前差来提高MTF，如图10 图10第四章 系统装配图及镜片工程图 图11 物镜优化后光路图 图12 优化后物镜与目镜连接后光路图 第五章 心得体会在设计初期对于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