华科应光课程设计--显微镜的设计

1、光学课程设计的应用低倍显微镜设计学院：光学电子信息学院专业：光信息工程等级：光电1209学号： U名字：是.2015年1月15日目录1 .选题背景和参数说明31.1选题背景和意义31.2显微镜的主要技术指标和说明42 .外形尺寸计算42.1微透镜的初始结构计算42.2显微镜目镜的选定93 .系统优化103.1物镜像差裕度的计算： 103.2物镜的优化： 103.3目镜优化器163.4系统结果234 .光学系统部件图265 .总结和体会281 .选题背景和参数说明1.1选题背景和意义光学显微镜(Optical Microscope，简称OM )是利用光学原理放大人眼看不到的微小物体并成像，提取微

2、细结构信息的光学设备。 显微镜作为精密的光学仪器，已经有300多年的发展史。 自从拿着显微镜以来，人们看到了很多过去看不见的小生物和东西的小小区。 不仅有能放大一千多倍的光学显微镜，还有能放大几十万倍的电子显微镜。 人类科学史上的重大发现离不开显微镜的功绩。 下图是显微镜结构的原理图。显微镜系统结构图1.2显微镜的主要技术指标和说明显微镜的技术指标取决于要观察的对象。1 .显微镜的放大率倍率式=12=显微镜的总放大倍率1 :物镜放大倍率，2 :目镜的放大倍率选择适当的倍率为1=-4*倍2、显微镜的机械筒长通常是标准化的，我国现在的标准是160mm2 .外形尺寸计算2.1微透镜的初始结构计算显微

3、镜成像原理示意图使用PW法计算显微镜物镜的初始结构参数的具体方法如下(1)选定：一般选择的显微镜物镜的共轭距离为190mm，由于设计了低倍显微镜，因此物镜的垂直轴倍率为-4*。 数值孔径为0.1，物高为2mm。 方程式如下所示。=ll=-4 * l- l=190毫米一l- 1l=1f如果你解这个方程式f=30.4毫米，l=-38mm毫米，l=152毫米(2)使用pw法计算显微镜物镜的初始结构参数的具体方法如下只要选择结构式，确定基本像差参数，低倍透镜的视野小，数值孔径也小，只需校正球面像差、正弦差和位置差，就能满足选择双接合物镜的要求。如果取共轭位置的像差参数CI=0，P=0，W=0必须对像差

4、参数进行标准化。 已知数值孔径NA=n1sinU1=-0.1，因为物体侧是空气，所以n1=1，u1=sinU1=-0.1u 3=u 1=-0.1-4=0. 025 h=l1u1f=-38 *-0.1 * 130.4=0. 125u1=u1h=-0.10.125=-0.8像差式是ci h 2=0p=PIH2=0w=wh2=0P=P u14W 1 u125 2=0-0.8 0.64*5 2*0.7=3.296W=W u12 =0-0.8*2 0.7=-2.1(3)，选择玻璃W为大负值的情况下，尽量先取火石玻璃为好。 可以增大双面粘合物镜粘合面的半径，减小高次像差。 原则P0=P-0.85W 0.2

5、2=3.296-0.85-2.16 0.22=0.03064根据P0和CI的值，检查表可以选择由F3和QK3两种玻璃构成的双接合物镜。 从表中获取参数。1=-1.a=2.b=-25.38315C=65.4475，K=1.L=-9.15655q0=5.p0=0.w0=-0。P=0.n1=1.6164，n2=1.4874(4)求出形状系数Q=Q0P-P0A=5.3.296-0 。=6.或4q=q0w- w0a 12=5.-2.160.* 22.46222=4。设Q=4。(5)根据q求出镜头各面的标准化曲率1=q n1 n1-11=4.1. 61641.6164-1 *-1=12=Q 1=4.-1.

6、=2。3=qn2-1-1 N2-1=4.1. 48741.4874-1 *-1.- 11.4874-1=-1(6)根据q求出镜头各面的标准化曲率r1=f1=30.4 mm1.=26.9178 mmr2=f2=30.4 mm2.=10.4571 Mr3=f3=30.4 mm-1.=-21.8256 mm(7)将该透镜系统的结构数据整理如下被摄体距离l=-38mm入射光瞳2h=7.6mmr德. d玻璃品牌r1=26.9178d1=0F3系列r2=10.4571d2=0QK3r3=-21.8526(8)，求出厚透镜各面的球面半径。 在光学系统的初始计算得到结果后，需要将薄镜头更换成厚镜头，其步骤如下

7、光学部件的外径的确定。 根据设计，sinU1=0.1物质距离l=146.5mm，可以计算出通光口径D=15.28mm。 镜片用压圈固定，必要的馀量用手动调查的馀量为1.5mm，镜片的外径为16.78mm。光学部件的中心厚度和边缘最小厚度的确定。通过检针得到边的厚度t=1mm，中心的最小厚度d=1.0。 为了保证透镜在加工过程中不易变形的条件，其中心厚度、边缘最小厚度和透镜外径之间必须满足一定的比例关系凸透镜：高精度3d 7tD中精度6d 14tD其中必须满足d0.05D凹透镜：高精度8d 2tD且d0.05D中精度16d 4tD且d0.03D式中，d是中心厚度，t是边缘厚度。 具体结构如图所示

8、。 根据以上公式，可以求出凸透镜和凹透镜的厚度。凹透镜： 8d 2t=Dt=D 8x2-x110式中的x1、x2是球面矢量，可以从下式求出x=rr2-D22当从图中的两个接合透镜代入已知数据时，获得x1=1.67mm、x2=4.21mm。t=D 8x2-x110=3.71mm毫米d1=t-x1 x2=6.25凸透镜： 3d 7t=Dt=D 3x1-x210式中，x2、x3是球面矢量，可以根据下式求出x=rr2-D22式中，r是折射球面半径，d是透镜外径。从图中的两个粘合透镜代入已知数据时，求出x3=-1.67mm然后，将其带入式中，求出凸透镜最小边缘厚度.t=D 3x3-x210=0.086m

9、m毫米凸透镜的最小中心厚度：d2=t-x3 x2=5.79mm毫米不改变u和u的角，将薄镜头转换成厚镜头。 从表达式p=u1/n2un和表达式w=pni=u1nun可以理解，在将薄镜头转换为厚镜头的情况下，在u和u不改变的情况下，p和w在转换时不改变，并且光焦度也不改变，使得在第一近轴光线的各表面上的u和u的角度不改变。 因为透镜薄而变厚时，第一近轴光线向主面的入射高度不变化，光学系统的光焦度也不变化。(9)最终可以得到物镜r德. d玻璃品牌r1=26.9178d1=6.25F3系列r2=10.4571d2=5.79QK3r3=-21.85262.2显微镜目镜的选定目镜倍率为20左右，焦距Fe

10、=250 /=250/20=12.85。查阅光学设计手册p82，根据必要的参数选择目镜2-02选择的玻璃分别是BK7、BK7、F53 .系统的优化3.1物镜的像差裕度的计算：根据迄今为止的计算，基本上得到了双接合物镜的初始结构参数。 现在我们知道了。物距： 38毫米，入瞳直径： 7.6毫米。由于入射光瞳位于物镜上，所以第一面是STO面，各面的曲率半径是已知的。1 )焦点距离3031mm为合格2 )放大倍率-3.85-4.25为合格3 )像差裕度I )球面像差：根据瑞利判据，系统产生的最大波面像差由焦深决定。 如果在波长的1/4以下，可以获得边缘光球差的容许公式如下Lm4nu2=0.1504mm

11、(取波长2 )ii )慧差：正弦差SC0.0025，即慧差ks=sc=y=0.0025 * 12=0.03，即小于0.03即可。iii )波色差： WFC(/2/4)3.2物镜的优化：输入初始结构，如下所示优化前的光路图如下所示优化前的图如下所示优化了SPHA球面像差、TRAY弧矢彗形像差、AXCL轴色差，目标有效焦距EFFL设定为30.4mm，放大率PMAG设定为-4。 优化后的数据图如下所示优化后的图如下所示与优化前相比，点阵图明显被优化，Ray fan图和OPD fan图的数值明显被优化。 基本上满足要求。 从system data读出的物镜的有效焦距为30.mm，满足设计要求。像差的s

12、eidel coefficients如图所示从这个表可以看出像差很小，满足了设计要求。 球面像差、色差、矢状彗形像差等被校正了。3.3目镜的优化根据选择的目镜，在zemax中输入适当的初始参数后，目镜的设计如下优化前的光路图如下所示优化前的图如下所示从光学手动直接获得的目镜误差极大，需要进行优化。优化所需的值是SPHA (球面像差)、COMA彗差、TRAY矢量彗差、AXCL轴色差和目标有效焦距EFFL为11.953mm。优化后的图如下所示像差的seidel coefficients如图所示读出其有效焦距为11 .满足了设计要求。 从图的数据可以看出，点阵图被很好地优化了。 光路图也是优选的。

13、Ray fan图和OPD图从前后图可以看出，前后误差的变化得到了良好的优化。3.4系统结果可以得到以上最佳化的数据显微镜系统的图像，如下所示的最佳化数据。 优化后的系统参数如图所示。Seidel coefficients如下所示MTF函数图系统的光路图如下所示因为系统很长，上图不太清楚，从上图可以看出系统全长为211.62326mm。 满足显微镜的设计要求。 除了40mm的物体侧入射距离和10mm设定的出射距离以外，正好是物镜和目镜的距离161mm。 和我国标准筒的长距离一致。 因而，在最初设计的系统的各部分分别由zemax优化之后，该项目几乎实现了，因为复合系统满足最初的设计要求，像差可以在

14、理想的范围内正常工作。4 .光学系统零件图在此，制作双接合物镜的柱状透镜零件的图。 在优化数据中，两面的半径分别为7.和-40.84669的厚度为5.79。 系统数据中的读取镜头高度为7.72881。 画零件图，标注尺寸。零件材料为QK3玻璃，类型为柱状透镜。 折射率n2=1.4874R1=7.R2=-40.84669f 1=NR1n-1=22.32 f 2=NR2n-1=-124.65=d-f1F2=141.18f=-f 1f 2/=19.71D=32.81246双凸透镜双凸面镜零件图：5 .总结和体会通过数周的设计，终于完成了这个光学设计。 突然辛苦完成任务，成就感产生于身心。 设计的过程虽然是一波三波，但在设计中却遇到了各种各样的问题。 几个问题让我烦恼了好几天。 在老师和同学的帮助下，去图书馆查资料。 大部分资料都很深，很难理解资料。 但是，最终继续，完成了光学课程的设计。 这次设计的成果如下所示1 .通过这次的光学设计加深了很多光学知识的印象和理解，解决了设计中的问题，虽然以前不理解很多内容，但现在逐渐理解了在光学