光学设计-显微镜系统设计实验报告

光学系统设计实验报告设计题目测量显微镜光学系统专业班级光信息081班学生姓名学号指导老师一实验目的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、相关实验指导书三、设计要求1）设计说明书和镜头文件。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）部分技术参数选择目镜放大率10沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离280毫米对工件实边缘的对准精度为22微米其它参数自定3）其他要求视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。可以不加棱镜。如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理。可以对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。可以加上CCD。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。系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为3求数值孔径4求物镜和目镜的放大率目镜的放大率物镜的放大率5求目镜的焦距301022156NSIUKNA3E10MFE2521572K6求视场光阑（分划板）的直径D，考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径7求物方线视场的大小8求共轭距存在等效空气平板且有9求物镜的焦距由高斯公式10求物镜的通光口径D物和孔径光阑直径D孔11求斯米特屋脊棱镜的各尺寸此次不设计3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MY12视43MLF8125470FLLLE25163YNALD5182物MFO749孔（图4显微目镜）选取对称式目镜，如上图所示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符合3倍放大率，焦距在47MM左右的镜头，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）（备注由于优化过程复杂，物镜的焦距有变化，但可以保证放大率）在像方焦点处设置孔径光阑，并由NA0102限制。设置物高为2MM，取2条权重均为1的特殊光线，光路图如图6所示，物镜共轭距为255MM左右，基本满足设计要求。（备注最后在合成时为了使系统成像更加清晰，优化后系统共轭距为24305033MM，焦距为4562139MM）（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3，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（暂时不优化）从目镜库中选择10倍放大率的目镜，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25MM图12显微目镜数据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目镜点列图如图13，物点对于两条远轴光线成像为像斑，成像较差，目镜不做优化，只对组合后显微镜整体优化（图13显微目镜点列图）3）显微镜组合及优化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260MM，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显微镜成像细节）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16显微镜光路图）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17显微镜结构数据）（图18显微镜整体光路及长度）显微镜成像分析图19显微镜成像点列图（图20显微镜成像光线像差扇形图）（图21显微镜几何像分析）（图22显微镜MTF传递函数）从图19图22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）分划板可以考虑做得再小些，太大的物高造成实际透镜入瞳要高于理论值，否则边缘光线丢失。当将分划板直径减小至12MM时，物高理论值为2MM。2）此次设计没有考虑到显微镜的可换性，即对组合后的显微镜进行了整体优化。对于商用显微镜，应分别对物镜及目镜优化，组合以后不再优化，以便商用显微镜进行物镜目镜的更换，改变倍率3）棱镜的添加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