显微物镜的优化设计.doc

安徽工业大学光信息科学与技术专业光学软件课程设计课程报告 年级： 光信息科学与技术10级1班 姓名： 孙标 指导教师： 王伟 日期： 2013年6月23日星期六 目录一、摘要二、用法进行显微物镜结构参数的设计三、原始系统参数输入及像质评价四、利用ZEMAX做像差优化设计五、结论 基于ZAMAX的低倍消色差显微物镜的优化设计摘要：显微镜系统是用来帮助人眼观察近距离物体微小细节的一种光学系统。尤其构成的目视光学仪器称为显微镜，它是由物镜和目镜组合而成的。显微镜和放大镜的作用相同，都是把近处的微小物体通过光学系统后成一放大的像，以供人眼观察。由于显微镜物镜决定了物点能够进入系统成像的光束大小，因此显微镜的光学特性主要是由它的物镜决定的。显微镜物镜根据它们的性能及用途不同，可分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、反射式物镜和折射式物镜。对于某些特殊用途的显微系统，如显微投影等，除了要求校正轴上点像差（球差、轴向色差、正弦差）以及二级光谱外，还必须严格较正场曲，以获得较大的清晰视场，因此，为了满足实际使用的要求，出现了校正场曲的平像场物镜，本设计即为设计低倍消色差显微物镜的设计。表征显微物镜性能主要有三个参数：数值孔径、放大率和线视场。放大率越高，数值孔径（NA）越大，分辨率也越高，其结构也就越复杂。本次设计采用Zemax软件进行仿真，ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。关键词：显微镜物镜；场曲；Zemax二、用法进行显微物镜结构参数的设计显微镜物镜参数技术要求：（放大率=-3，数值孔径=0.1，共轭距离=195mm，物方线视场=1mm，工作距不能太小 ）该系统的设计步骤如下：（尺寸单位均为mm）（一） 按设计的技术要求选取合适的结构形式由于上述要求知，当=-3，NA=0.1，即物方孔径角近似为-0.1，=-0.1，相应的象方孔径角=-0.033，物镜的总偏角=-=0.133。通常消色差的双胶合物镜能负担的偏角小于0.15，因此透镜系统结构设计如下图：（二） 求物镜的焦距、物距和像距根据f=-l/(1-)设计要求共轭距为195mm,考虑到透镜组有一定主面间隔，我们取L=190mm, =-3代入上式得 ： f=35.625mm物距l和像距l分别为：l=-f(1-1/ )= -47.5mml= *l= 142.5mm设计显微物镜时，通常按反向光路进行设计。因为进行系统的像差计算时，物距l是固定的，在修改系统结构时，透镜的主面位置可能发生改变，上面计算出来的物平面到主面的距离随之改变，当按正向光路计算像差时，由于| |1，轴向放大率则更大（a = ）。因此共轭距和物镜的倍率将产生大的改变，偏离了物镜的光学特性要求。如果按反向光路计算，对应的垂轴放大率| |1，轴向放大率则更小，这样就能使共轭距和倍率变化很小。反向光路对系统的光学特性要求为：l=-142.5mm,l=47.5mm, =1/-3=-0.33,sinU=0.1/-3=-0.033（三）原始系统结构参数的初级像差求解（1）根据像差要求，求出P,W,C由于显微镜的物镜和目镜都要互换使用，因此设计显微镜的物镜和目镜时，一般都不考虑它们之间像差的相互补偿，而采取分别独立校正，所以要求物镜的球差，正弦差和轴向色差都等于零，故有P=W=C=0（2）将P,W,C 归化成P,W , CP=W=C=0，故P=W =C=0由于物平面位在有限距离，还要将P,W 对物平面位置进行归化，根据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;带入得： P=0.15W=0.675（3）求P0 ，根据P0 ，C查表选玻璃P0=- P-0.85（W-0.15）=-0.0843，C=0查附表 2 选玻璃，对显微物镜，在反向光路的情形，一般去冕玻璃在前。得到最优玻璃组合：BaK7 : n1 =1.5688 v= 56ZF3: n2 =1.7172 v = 29.5根据插值法得到：P0 = -0.11, Q0 = -4.3(4) 求半径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缩放半径得到：r1= 29.3451mm;r2= -14.2443mm;r3= -37.5395mm整个物镜的参数为： l=-142.5,y=-10,sinU=-0.033,lz=0三、原始系统参数输入及像质评价在 General Lens Data中，输入入瞳直径为20，采用中国玻璃库。视场选择0、0.021、0.03 三个视场，波长选择“Select F，d，C”。由上述计算可知，原始系统的参数输入如下：物距为142.5mm，由于透镜厚度未知，可将双胶合物镜的正透镜设为边缘厚度0.1自动求解，即加注后标E，如上图所示。输入各表面结构参数以及玻璃材料之后，得到光学系统的二维结构图，点列图如下所示：从图中可看出，系统成像质量较差，需要优化四、利用ZEMAX做像差优化设计下面利用ZEMAX的自动优化功能做像差优化设计，自变量选择所有的半径(r1,r2,r3)并将其设为变量V。评价函数采用Default Merit Function 中默认的操作数，加入的操作数有焦距EFFL，将目标值Targets 设为35.625，权重Weight 设为1。轴向放大率PMAG，目标值为0.33，权重也为1。由于要保证物镜的共轭距离190，因此加入控制系统长度的操作数TOTR，此操作数代表系统第一表面到像面距离，由于物距已固定为142.5mm，因此将TOTR 目标值设为195-142.5=52.5mm，权重也设为1。此外，要控制物镜的色差，加入操作数AXCL，值设为0，权重为1。然后使用Optimization自动优化，得到数据如下：优化后系统的二维结构图和点列图如下：五、结论：1、要完成一个简单光学镜头的设计任务，首先需要根据理想光学系统的知识计算出光学系统的外形尺寸，其次根据像差的知识对镜头参数进行估算，并根据估算结果选择玻璃型号以及计算镜片参数，最后通过计算机仿真设计出的镜头，并使用计算机进行优化设计， 以达到更理想的效果。2、在使用计算机进行优化设计之前，如果玻璃参数选择错误，无论如何优化，可能都无法达到设计要求。3、从图中可看出系统点列图的均方根半径已经有所改善，但是几个操作数实际值距目标值还有一定距离，需要继续优化改进。当然由于个人水平有限，优化结果并不是很好，请老师给予批评指正。参考文献： 1 毛文炜. 光学镜头的优化设计M . 北京: 清华大学出版社, 2009. 2 郁道银, 谈恒英. 工