光学设计之显微镜

课 程 设 计设计题目 显微镜学生姓名 Xxx学 号 专业班级指导教师 xxxx2009 年 1月8日设计题目显微镜光学设计成绩课程设计主要内容1、本设计的任务是设计一显微光学系统。每位同学可根据指导教师所指定的不同技术参数值自行确定具体的设计题目、系统的用途和要求。2、你所设计的显微光学系统的技术参数如下： （1）视觉放大率：12（2）出瞳到物面距离（沿光轴）：240mm（3）光轴折转角： 60°3、设计要求：一份设计说明书、一张手工绘制的光学系统图图纸和两张手工绘制的光学零件图图纸。4、说明书的正文不少于十页；书写格式参照“本科生毕业设计论文书写格式”。5、按以下顺序装订毕业设计说明书：封面、任务书、目录、中文摘要（含关键词）、正文、参考文献、封底。指导教师评语签名： 目录1.设计思路 41.1显微镜的理想光路图 41.2设计思路 42.设计步骤 53.设计过程 53.1外形尺寸的计算 53.2光路设计 64.优缺点及改进措施135.设计感想13摘要：光学显微镜在当今的科研、生产、医疗等众多方面都有着越来越广泛的应用，已成为基础科研、生产工具。在诸多专业领域众多需要特定的专用显微镜。本次设计的是放大率为120x的显微镜。关键字：目镜 物镜 视场角 分辨率 zmax软件显微镜设计1一、显微镜成像原理显微镜(microscope)是为提高人们获得微小信息能力的光学仪器。往往把将近处物体进行放大的光学系统称为显微镜系统。显微镜系统通常由物镜和目镜两部分组成，实质上是利用一个物镜和一个目镜产生两级放大的复式显微镜（需要光路对准时往往会加场镜）。 目镜物镜BA”AA眼睛BB”图1图1是显微镜成像的光路图，图中的物镜和目镜均用薄透镜表示。显微镜的物镜AB处于物镜的两倍焦距之内一倍焦距之外，它首先经过物镜将一放大的倒立实像AB成像于目镜的物方焦平面上或焦平面以内很靠近的地方，然后目镜将这一实像再次放大成一放大的正立虚像A”B”，且成像于无穷远或人眼的明视距离以外，以供眼睛观察。显微镜对物体进行两次放大，因此与放大镜相比，具有更大的放大率，能观察到肉眼所不能直接观察的微小物体，分辨更细小的细节。在这里目镜相当于放大镜，只不过这时放大镜的物是物镜所成的像而已。 2设计思路用户提了三个方面的要求：光轴的转折角为60°，出瞳到物面的几何距离（沿光轴）为240mm，视觉放大率为12倍。根据用户所提出的要求，我做了如下的考虑：由于用户所要求的12X的显微镜属于低倍光学显微镜，故其主要用途是用于观察生物细胞，细菌，植物的表皮结构等。首先我考虑了转折角度的问题，转折角为60°，可以选择用等腰棱镜，使光线转折60°。因此我选择了等腰棱镜。其次我考虑了分辨率。人眼的最小分辨角为1´，但一般为了让人眼看的舒服一点，可以将角度放大到2-4´。12倍的放大率理论上是可以分辨6um的物体，但那样人眼会长时间处于疲劳状态。2设计步骤3设计过程31外形尺寸的计算放大倍率为12x。选择物镜跟目镜的放大率，我设计的显微镜分辨率为=1.5um（1） 计算物镜的数值孔径根据式，取550nm，则NA=0.06（2） 分配物镜和目镜的放大率根据数值孔径NA=0.06，可选择=3x物镜，则目镜的放大率4x由于12x的惠更斯目镜跟平场目镜相比较，平场目镜的视场较大，象质较好，所以我选择了12.5x的平场目镜代替了12x的惠更斯目镜（3） 计算物镜和目镜的焦距和36.37mm 20.02mm（4） 计算显微镜的总焦距20.81mm（5） 计算目镜的线视场。（6） 计算物镜的线视场2y 32光路设计321 物镜的设计表3.1图3.1图3.1为本次实验的物镜的二维图，我采用的是正向光路，优化以后，各镜头参数如表3.1所示。点列图图3.2分辨率图3.3设置时我设的是数值孔径，我是在软件上通过实验来确定数值孔径的。在优化过程中，采用的是白光优化，采用的优化函数为缺省优化函数，孔阑设置的位置不同，优化出来的象质也会不同，在不段调试的过程中，我确定了物镜的第六个面为孔阑。优化过后，我会看一下优化过后的镜子能达到多大的视场，努力找到一个视场相对较大象质较好的结果。根据原镜头的参数，整个物镜系统的成象质量很好，点列图能控制在4mm以内，但物方线视场很小，最大只能达到1mm，所以我适当的扩大了各个镜片的半径，扩大半径以后，的在物方线视场分别为2mm时，点列图（即象散图）的RMS RADIUS均在10mm左右，亦即象散很小，线视场为2mm时，点列图的RMS也在20mm以内。再看MTF图，在纵坐标为0.3处,蓝青两种颜色的光线均均达到了12.4线对/mm，红光为45.6线对/mm，整体效果不是很差。实际上按照上述系统的参数，系统的线视场还可以扩大一点，最大可以达到4mm，但是那样保证不了象质，只能达到30线对/mm，因此在这里我只选择了2mm的物方视场。3.2.2棱镜的设计直角棱镜如图3.4所示，其通光口径D与其展开成平行平板的厚度D1不相等，即D=1.732*D1，图3.4我把棱镜与物镜组合到一起进行了优化。在分析棱镜的时候棱镜相当于一个等效的空气层，对于整个系统主要起象移的作用，当然对象质也会有影响，于是在ZEMAX软件中我将其等成一个长与宽相等的平行平板，棱镜的通光口径我没有精确的计算，是在ZEMAX软件上分析得到的，原则是让所有的光线通过，所以我选择了稍大的口径，使光线完全通过并有一定的余地。表3.2加入平行平板（即棱镜）后，象质基本上变化不是很大，我只是稍微的做了点优化，优化后的参数如表3.2所示。下面来看下表3.3所示物镜与棱镜组合后的放大倍率：表3.3放大率为-9.6234x，基本上符合我所要求的-9.6x。对于物镜的象质，我觉得不是非常的好，但我想通过后面整个系统时再优化，3.2.3目镜的设计目镜我选的是平场目镜，其视场角比较大。由于目镜的出射光线为平行光，所以目镜的输入我采用的是反向光路。优化过后的参数如表3.4所示：表3.4二维图图3.5点列图图3.6分辨率图3.7我设置参数的时候用的是象高，不是视场角，由于在系统拼接的时候物镜的象亦既目镜的象，物镜的物方线视场为2mm，=3x，则在目镜系统中其象方线视场至少为6mm，我所设计的目镜象视场达到了6mm。我设置的目镜的四个线视场分别为0，4.2mm，6mm。点列图如上，中心象散很小，边缘视场的象散也不是很大。再看分辨率，在线视场4.2mm以内，纵坐标为0.78时达到1lp/mm，边缘处也达到了 9.5p/mm。有效焦距为51.123mm，则其放大倍数为250/51.123=4x，符合我的要求。3.2.4组合光路由于用户提出了出瞳距的要求，故我在未组合的时候便计算了有关的参数。由于等比例缩放时会影响系统的有效焦距，故不能对目镜等比例缩放，否则会影响其放大倍率，而对于物镜，有效焦距虽然改变了，但是物镜的放大率却不受影响，故我用总长度减去了目镜的长度，然后计算出物镜需要缩放的比例，而后进行了物镜和目镜的组合，采用的是反向光路。由于我所设计的物镜与目镜不能完全匹配，透过目镜的光大部分都不能进入物镜，所以我在目镜的焦面处加了一场镜，以会聚光束，并适当改变了物镜的口径，使目镜的光大部分能通过物镜。系统拼接好后，由于我设计的是用于观察的显微镜，故没有用分划板，所以我又进行了整体性的优化，采用了设置有效焦距的方式以保证整个系统的放大率。组合后各个镜片参数如表3.5所示：表3.5点列图图3.8组合后的二维图图3.9分辨率图3.10在带宽为0.707时，光线全部通过了，而边缘光线只有大部分光线通过了。对于物镜而言，边缘光可以不完全通过物镜。我设置的是象高，亦即是原显微系统的物高。设置物高分别为0，4.2mm，6mm（亦即物方线视场为0mm，1.4mm，2mm）。由上面的点列图以及MTF图可以知道，在线视场为2mm内可以看清15um的物体；在线视场为1.4mm内，可以看清30-40um的物体；在整个视场范围内可以看清10um的物体。系统的参数如表3.6所示：表3.6我在设计目镜的时候，在距最后一面镜片10mm处加了一光阑，该光阑作为组合系统的入瞳（即为显微镜的出瞳），因此出瞳距为0。有效焦距为-2.08334，利用目视系统的放大率公式T=250/20.70458=12.07x，与要求的12x误差非常小，可以忽略不计；物面到出瞳的距离L=239.99980mm，与要求的距离240mm误差也非常小，可以忽略不计。显微镜系统的设计结果还是比较令人满意的。4优缺点及改进措施设计总体上是符合用户要求的，转折60o角使整个系统有效筒长变短，便于携带，而且转折光路可以让人做着观察，由于我设计的是生物显微镜，人需要长时间的观察，站着容易使人疲劳。本次设计是第一次进行光学设计，对于ZEMAX软件掌握的程度也不够，是在设计过程中不断学习如何运用软件的，在很多方面都会有一定的局限性。本次设计中没有考虑到景深；设计的显微镜虽然有转折角，有效筒长减少，但是不能折叠，对于携带是十分不便的；对于生物显微镜，应该配置一照明系统，但是我没有设计照明系统；没有进行测量的工具，只能进行定性的观察和分析。若以后还有机会，上述几个问题应仔细考虑，以求设计出更加完善的显微镜观察系统。当然，如果有可能，也会考虑用CCD接受实象。5设计感想在设计刚开始的时候，对于老师给的参数，发现无从下手；对于软件也是从未接触，首次认识就要利用它来设计，感觉是件很困难的事。在后来的不断实践中，在学习使用软件的过程中，对这次设计的概念越来越清晰，初步掌握了对于软件优化过程中的一些小技巧，比如说设置不同的镜片为孔阑得到的结果是不一样的；优化过程中可以采取在小视场范围中优化，然后看整个视场的成象质量，这样往往会比在整个视场优化效果好最终完成了我们这次的设计。虽然设计的结果不是很理想，但是通过这次的实践，我对于光学显微镜的结构有了更加深刻的理解，对于ZEMAX软件也有了一定的认识，也掌握了简单的设计思路。设计过程是一个不断调试的过程，需要有充足的时间和极大的耐心，设计也充分体现了我们对于理论知识掌握的程度跟我们的动手能力。在设计中，我深刻体会到理论一定要用于实践，理论的东西在很大程度上都偏离了实际，只有在实际实践过程中才能不断加深我们对理论知识的认识跟掌握，不断完善我们的理论体系。这次设计感觉时间不够充裕，因为设计与多门考试同时进行，最后导致我们在设计上没有更多的时间以及耐心，也没有足够的时间去翻阅资料，无法设计出更加理