光信息光学设计报告.docx

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光信息光学设计报告

光学系统设计实验报告

设计题目:

显微镜系统

专业班级：

光信息

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：

①目镜放大率11；

②物镜放大率9；

③沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离230毫米；

④其它参数自定；

3）其他要求

①视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。

②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。

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，使系统成正像。

2）等效光路原理图

3）外形尺寸计算

目镜的放大率：

；

物镜的放大率：

；

目镜的焦距：

取分辨率：

3.光学部件的结构形式

按照实验步骤，先计算好外形尺寸。

然后根据数据要求选取目镜与物镜。

先做物镜。

因为这个镜片比较少。

按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。

简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。

然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。

将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。

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（3-6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

（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

①在物镜库中选取符合9倍放大率，焦距适合的镜头，输入参数，经过优化后物镜成品参数图如图所示

（显微物镜参数）

（显微物镜光路图）

物镜参数

②设置评价函数为默认类型，并限制PMAG放大率为为9，进行优化，可见物镜成像会聚效果比较好，满足设计要求。

-+-（优化后，物镜各窗口）

2）目镜设计（暂时不优化）

①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，参数和光路图如图所示。

（显微目镜参数）

（显微目镜光路图）

②目镜的数据如图，等效焦距约为22.7mm

目镜不单独进行优化，而是和物镜作为一个整体进行优化。

3）显微镜组合及优化

①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230mm，并优化理想透镜的物距使成像为一点，优化后参数，光路图和成像细节如图所示

系统优化后，各评价函数图像如图所示

系统整体参数如图所示

由上图可知，系统的有效焦距为-2.5264，经计算总的放大倍率为98.95，约合99，达到设计要求。

同时由光路图得到，光学距离约为231.7，也符合设计的要求。

但存在一些缺陷，就是艾利班半径不是很理想，RMS半径过大，根据设计要求，系统的RMS半径要小于6.6.系统经过优化后，各评价函数如图所示。

经分析发现，虽然优化后，RMS半径达到要求，但其他效果并不比优化前好，如艾利班半径。

前后对比两组评价函数数据，我觉得还是RMS数据优化前的数据比较好。

五、结果评价

（一）优点

1）由于设计过程是在目镜工作距离不变，对物镜工作距离进行整体缩放的的情况下进行的，所以设计的物镜，目镜以及沿物镜第一个面到目镜最后一个面的距离相对偏差很小。

2）目镜，物镜以及系统的放大倍率与理论值比较，也很理想，达到了设计的要求。

（二）缺点

1）设计过程中太过考虑了放大倍率，工作距离等，然而最终的视场却达不到设计的要求。

2）RMS半径没有达到要求，在追求艾利班半径等的合适后，RMS半径超出了合理值。

（三）改进措施

1）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；

2）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。

3）自己未添加棱镜：

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，玻璃平行平板厚度=通光口径

K，其中K值由棱镜类型确定，棱镜的选取视偏转角度，用户需求等而定；

4）分划板应当做成场镜的形式，不用理想平面表示分划板，而是将分划板做成透镜形式，其中一面的曲率为无穷，另一面曲率改变到使渐晕为50%到70%，这样能将边缘光束向中心收拢；

5）增大视场，使其达到商用仪器视场的大小；

6）考虑性价比，体积以及照明系统的要求。

同时也要考虑光度学，要考虑接收器的灵敏度。

六、总结：

在完成本次设计后，加深了对ZEMAX软件的认识，掌握了基本的操作。

同时对如何设计简单的光学元件有了深刻的认识。

一个好的光学器件的设计，必须学会灵活运用所学知识，以及对设计软件的熟练操作。