中倍平场显微物镜设计.doc
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燕山大学课程设计说明书
目录
第一章摘要………………………………………………………………2
第二章ZEMAX介绍………………………………………………………3
第三章中倍平视场显微物镜设计（PW法）…………………………4
第四章优化过程…………………………………………………………17
第五章心得体会…………………………………………………………24
参考文献……………………………………………………………………25
第一章摘要
本课程的任务是在学习工程光学、光学设计的基础课程基础上，进行光学仪器的设计，目的是让学生了解光学设计中主要的环节，掌握光学仪器设计，开发的基本方法，一遍今后能从事光学仪器的设计，研发工作。
本课程主要用PW法设计各种镜头的初始结构，并学会用ZEMAX软件优化象差。
要考虑物象位置关系、系统放大倍数、系统分辨率、象差等。
光学设计过程分为四个阶段：
外型尺寸计算、出事结构计算、象差校正和平衡以及像质评价。
了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。
初级象差理论与象差的校正和平衡方法，像质评价与象差公差，光学系统结构参数的求解方法。
关键词：
光学系统、成像质量、象差、优化
第二章ZEMAX介绍
ZEMAX提供了十分强大的优化功能，它有能力去改善那些给出一个合理的起始点和一系列的镜头设计。
参变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特殊数据，和一些多种结构的数值数据。
ZEMAX使用了活动的阻尼最小二乘法，这个运算则能够优化有加了权重的目标组成的评价函数，这些目标被称为“操作数”。
ZEMAX有一些不同的默认评价函数，在评价函数编辑界面中可以很容易的改变这些评价函数。
优化需要三个步骤：
1）一个可以进行光线追迹的合理光学系统；
2）变量的设定；
3）评价函数的设定。
合理的光学系统是个比较模糊的概念，它仅仅意味着通过优化运算则将一个缺乏考虑的设计方案转化成一个特殊的方案是不可能的。
变量和那些为了优化运算则能去的一些进展而至少有一个的因素。
第三章中倍平视场显微物镜设计
（，，，）
（一）设计原则
为有效控制物像共轭距离，显微镜物镜需倒追光线。
（二）参数设定
数值孔径输入：
波段输入：
D、F、C光，即普通白光入射
视场输入：
物在有限距离，输入线视场（单位：
mm），物像颠倒，故
（三）PW法设计过程
（1）结构选型
由上述技术要求知，当即,相应的象方孔径角,物镜的总偏角。
考虑偏角和匹兹万和数最终的结构如下：
图
（1）
（2）系统的高斯光学计算
一、偏角分配物镜总偏角=0.416，取负透镜偏角为-0.1，正透镜偏角为0.18，双胶合透镜偏角为0.13，厚透镜偏角为0.206.并取物距mm，透镜之间空间间隔如图。
孔径光阑暂放在负透镜上。
以上数据的选取要使各透镜不致有过大的值；也不应使后透镜有过小的工作距离，否则，需重新分配偏角。
二、高斯光学计算有几何光学可知，透镜组偏角和光线在透镜上高度可由如下二式求得
（1）
1、求各薄透镜的光焦度及第一近轴光线在各薄透镜组上的高度。
如下图：
图
（2）
由式
（1）得
同理可得
2、求主光线在各薄透镜组上的高度。
由图
（2）可求得物方半视场角
同理可得
（四）、列出系统的初级相差方程组
为了计算方便，将上述计算结果列成表
（1）如下所示
1
-0.1
0.01
-0.001
2.672
0
0
2
0.18
0.0324
0.005832
3.252
0.374265
0.140074
3
0.13
0.0169
0.00219
2.228
1.24046
1.538741
拉式不变量
由单色初级象差系数公式可得
（2）
式中、、分别为厚透镜的象差系数。
将表16-1诸值代入上式得
（3）
（五）、对各透镜组PW规化
1、第一块负透镜由规化公式得
为了减小高级象差，其材料取高折射绿的ZF7，即经计算求得
（4）
（5）
2、第二块正透镜正透镜取重冕玻璃ZF3，其则
（6）
（7）
1、双胶合透镜组
由归化条件下的、求得
（8）
（9）
式中取0.65
（六）、厚透镜参数的确定
有几何关系可知
（10）
图（3）
如图（3）所示，厚透镜第一面曲率为，第一近轴光线在厚透镜第一面上高度为，厚透镜第二面曲率为，第一近轴光线在厚透镜第二面上的高度为。
厚透镜的折射率和厚度分别为n和d，则由式（10）可得厚透镜的偏角
（11）
由象差理论可知，厚透镜和、值分别为
（12）
（13）
（14）
由式（11）、式（12）式（13）、式（14）知，厚透镜的n越大，它所负担的偏角也越大。
厚透镜的v值越大，其位置色差和倍率色差越小。
综上所述厚透镜的材料取重ZBaF3，即n=1.6568，v=51.1.
为求出厚透镜的，首先要求出诸薄透镜的，它可由下式求得
式中双胶合薄透镜的，n为双胶合薄透镜的等效折射率。
为了使得加入厚透镜后，系统扔保持一定量正的，所以取厚透镜的=-0.00158。
由式（11）式（12）可知，两个方程式中有三个变数，和，为此还需给定一个条件。
我们可以让满足不晕条件，不晕面条件，不晕面的曲率半径可由下式求得
将上面求得及确定的已知数代入得得3.56
但为了增加系统的正象散，使此面稍偏离不晕条件。
为此，取=3.6即=0.2778.
而。
将、代入式（11）和式（12）得
解上述两个联立方程式可求得
即
工作距离为
结果满足技术要求。
利用图和式（10）可求得厚透镜厚度d的公式
（15）
式中n为厚透镜折射率。
将已知值代入上式，可求得其厚度得d=4.12
到此为止，厚透镜结构参数计算完毕，整理如下：
（七）、厚透镜初级象差系数计算
因为上面以求得
所以，通过近轴光线追迹，便可求得其初级象差系数
（八）、求解初级相差方程组
将式（4）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）和厚透镜初级象差系数代入式（3）得到的三个方程式中有四个变数，应该有无穷多解。
但是我们应该挑选使即尽可能小的解。
尤其对胶合透镜组来说，不宜大于3.5，否则胶合面国语弯曲而产生大量高级象差。
为此去=0，以使双胶合组的趋向极小值。
解之的一组可行解：
=3.8，，,
将以上各值代入方程组得
我们希望光学系统的初级象差和高级象差都不要太大，这样可使得系统在整个视场范围内和孔径范围内象质都比较好。
上列初级象差系数都比较小，故解是比较合理的。
（九）、求各薄透镜组结构参数
1、第一块负透镜已知第一块负透镜的=3.8，而。
有公式得
负透镜的实际曲率
相应的曲率半径为
2、第二块正透镜已知第二块正透镜的，而，同理，可求得第二块透镜的有关参数：
相应的曲率半径为
3、第三组双胶合透镜要求出双胶合透镜的结构参数，首先要确定它的色差系数，其步骤如下：
（1）求双胶合薄透镜的色差系数.
这里取一个微小正量0.0005是为了在带孔径处消色差。
（2）求规化色差系数。
（3）求薄透镜组的值。
由于冕牌玻璃在前还是火石玻璃在前未定，故取其中间值-0.14，即
将要求值，，代入上式得
（4）根据和值选玻璃。
因为，在《光学仪器设计手册》中查不出同时满足和的玻璃对，为此使用试凑法即挑选不同玻璃对进行计算。
下面挑选ZK7和ZF7玻璃组合，并采用冕牌玻璃在前，即：
在规化条件下色差系数
（16）
当双胶合透镜光焦度=1时，得
（5）求结构参数。
它与要求值比较接近，可认为此对玻璃选的合适
下面计算胶合透镜
相应的曲率半径为
利用表1求得各薄透镜的通光孔径，按手册便可求得它们的实际孔径，由此求出各透镜的厚度（单位毫米）如下：
第一块负透镜d=1
第二块正透镜d=2
双胶合组正透镜d=2.4
双胶合组负透镜d=1.2
经PW法计算推导，得到最终镜头数据如表1所示：
表2初始数据
选择3个视场角：
0、2.1、3
物方数值孔径（ObjectSpaceNA）：
0.016
物距：
165.358mm
注意：
在进行系统优化时，不要选择改变盖玻片半径、厚度、后工作距和光阑半径作为变量
第四章优化过程
4.1优化前
（1）将表2输入至ZEMAX中，得到光路途、点列图、MTF曲线和rayfan图如图4、图5和图6和图7所示：
图（4）
图（5）初始数据的点列图
传递函数如下
图（6）初始数据的MTF数据
图（7）
rayfan表示是光学系统的综合象差。
比如S形状的rayfan表示这个系统有球差。
多个S行状（蛇行状）的rayfan表示这个系统有高级球差等等由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的rayfan都有两个。
一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）
（2）设定默认优化函数
选择工具栏Editors→MeritFunction→Tools→DefaultMeritFunction，在该选项框中选择RMS,SpotRadius,Centroid,其它项默认即可，选择OK。
为避免焦距变化过大，将其确定为初始值，即设定有效焦距EFFL为6.9（选择第2波长）。
（3）优化过程
查看工具栏Analysis→AberrationCoefficients→SeidelDiagram（或SeidelCoeffients），比较直观地观察系统各表面对各种像差的影响，鉴于显微物镜主要校正轴上点球差、色差和正弦差，因此可以选择红颜色的SphericalAberration作
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