中倍平场显微物镜设计.doc

1、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

2、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；

3、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

4、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

5、列成表（1）如下所示 1 -0.10.01-0.0012.67200 20.180.03240.0058323.2520.3742650.140074 30.130.01690.002192.2281.240461.538741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

6、（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，

7、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

8、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。

9、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

10、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（Objec

11、t Space NA）：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ray fan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）ray fan表示是光学系统的综合象差。比如S形状的ray fan表示这个系统有球差。多个S行状（蛇行状）的ray fan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ray fan都有两个。一个子午T（对应于

12、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 Merit Function Tools Default Merit Function，在该选项框中选择RMS, Spot Radius, 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 Aberration Coefficients Seidel Diagram（或Seidel Coeffients），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、

13、色差和正弦差，因此可以选择红颜色的Spherical Aberration 作为主要观测对象。经观察发现，第1、3、4、7、8这几个表面对球差影响较大，因此可以尝试这几个半径组合作为变量，每次优化在之前基础上增加两三个半径作为变量，不要一次增加太多变量，否则效果不一定好。Ctrl+Z是设定变量的快捷方式。在优化效果不好时，不要盲目继续甚至保存，而要按F3键返回，否则有可能因错误选择优化方向而钻入“死胡同”！最好的方法是，每次有效的优化都另存为一个文件，文件名可按照自己的习惯选择具有“标志性”的名称，这样方便以后回顾自己的设计过程或调用相关优化记录。A）通过查看Seidel Diagram，首次

14、选择r3，r4，r7半径作为变量，点击“OPT”进行自动优化，点列图减小，MTF曲线变化不大，注意Merit Function理想值应为0；B）继续选择变量r1，r8，r10半径作为变量，自动优化；此时，像距已变为0.05mm左右；C）为防止像距过大波动，将其固定为0.1mm，取消像距位置的“Marginal Ray Height”选项，继续优化；D）继续选择变量r2，r6半径作为变量，自动优化；E）继续选择变量r9半径作为变量，自动优化；F）至此，所有能选做变量的半径都已选择，下一步即化透镜间隔或空气厚度d，首选光阑前后半径d4，d5作为变量，同时在“Merit Function Edito

15、r”中输入“TOTR”操作数，目标值为29.642（195mm-165.358mm=29.642mm），以确保在优化过程中的物像共轭距，权重“weight”设定位1，然后进行OPT自动优化；G）尝试其它距离或厚度作为变量，选择第一、二透镜间距，即d2作为变量，在“OPT”中选中“Auto Update”复选框，然后进行自动优化，实时观察MTF曲线的变化及透镜外形的合理性，在合适的位置选择“Terminate”终止优化过程，数据见表3；4.2 优化后表3 自动优化终止时的透镜数据H）选择第1个透镜厚度d1作为变量进行自动优化，此时观察MTF曲线，如图4所示： 图8 MTF曲线镜头的外形结构图如图

16、5所示：图9 镜头的外形结构图优化后标准点列图：图（10）RMS 点尺寸是径向尺寸的均方根。先把每条光线和参考点之间的距离的平方，求出所有光线的平均值，然后取平方根。点列图的RMS 尺寸取决于每一根光线，因而它给出光线扩散的粗略概念。图（11）塞得和系数表如下由表可知塞得和系数非常小，可见系统象差已经很好。（上式各列分别是球差、慧差、象散、场曲、畸变、轴象色差和横向色差）此时，像质虽已足够好心得体会通过一周的课设，不仅对光学设计有了更深入的认识，而且也提高了同学们之间合作的能力。一周里，我们学习了ZEMAX了软件，通过查阅相关资料，学会了设计一种光学镜头，对学过的课程做到了学以致用。课设里，我

17、主要学会了两点。第一，通过PW法计算出光学器件的初始结构。PW的计算量相当大，不仅要查阅大量资料，而且有时还需要一些推断和猜测，这充分考验了一个人的数学能力，同时我们也要有对待难题要有“不抛弃、不放弃”的精神，要有耐心。第二，通过ZEMAX软件调试初始结构。这是一项需要反复工作的环节，虽然工作量很大，但是我们也一定要学会在复杂的工作中寻求简便的工作方法的能力。这对我们将来工作有很大的提醒。综上所述，通过课设，我们不仅在知识上有了巨大的进步，而且在思维方式和工作方法也有了重大突破。不管将来我们是从事研究还是从事第一线的工作，我想这次课设对我们大有裨益。参考文献张以谟 应用光学【下】 机械工业出版社 1982年 P112P129刘钧 高明 光学设计 西安电子科技大学出版社 2006年王之江 等 光学设计手册【上】.北京：机械工业出版社本文来自网络，版权归原作者所有，请下载后，尽快删除。25