中北大学光学设计课 程 设 计 说 明 书下达任务书日期: 2017 年 6 月 5 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本设计目的是设计显微镜，利用ZEMAX软件设计系统，掌握显微镜的设计方法，完成系统设计。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1、设计内容:学习显微镜的工作原理，掌握显微镜的特性，并根据其特性在zemax中构建显微物镜的初始模型，根据参数要求进行光路仿真和性能优化。设计一种李斯特型显微物镜，采用两个相距较远的双胶合透镜，进行优化，使像质评价达到衍射极限。2、技术指标:(1) 物镜放大倍率为5，10,12任选一个；(2) 数值孔径NA为0.25；(3) 物到像总距离为195mm；(4) 有效焦距为16.25mm；(5) 物体直径为1.8mm；(6) 波长0.51 um,0.55 um,0.61um；(7) 初始胶合玻璃为K5和F2；(8) 玻璃厚度最小值2mm，最大值12mm，边缘最小厚度2mm。 （9）选用合适的10倍放大倍率目镜，完成显微镜系统设计和优化。3、设计要求：(1) 要求掌握显微物镜的工作原理和设计方法，学习zemax软件的使用；(2) 进行光路仿真优化，进行像质评价分析,撰写设计总结报告。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1显微镜相关参数设置；2 zemax光路仿真程序，仿真结果；3 课程设计说明书。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献格式：1 林晓阳编著. ZEMAX光学设计超级学习手册. 北京：人民邮电出版社, 2014.04.2 张国顺光纤传感技术北京：水利电力出版社19883 李泽民光纤通信北京：科学技术文献出版社19924 华家宁现代光学技术及应用南京：江苏科学技术出版社19945 陈军现代光学及技术杭州：浙江大学出版社19966 苏显渝信息光学成都：四川大学出版社19957 胡鸿章应用光学原理北京：机械工业出版社19938 日内顺平光学概论北京朝仓书社19875设计成果形式及要求：1 zemax光路仿真图；2课程设计说明书。6工作计划及进度：2017年06月05日2017年06月9日 下达设计任务书，学生熟悉设计内容；2017年06月10日2017年06月12日 查阅参考资料，确定基本设计方案；2017年06月13日2017年06月16日 基本参数计算，仿真设计；2017年06月17日2017年06月20日 系统优化设计；2017年06月21日2017年06月22日 完成课程设计报告；2017年06月23日 课程设计答辩。学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日设计说明书应包括以下主要内容： （1）封面：课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 （2）设计任务书 （3）目录 （4）设计方案简介 （5）设计条件及主要参数表 （6）设计主要参数计算 （7）主要设计过程及设计结果分析 （8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会 （9）参考文献具体要求：1、全部宋体，正文小四，标题四号加粗，1.5倍行距；2、课程设计材料纸幅大小为A4，装订顺序为：课程设计说明书（或论文）封面、课程设计任务书、目录、正文、参考文献（资料）；3、设计说明书要求图文并茂，条理清晰，分析详实；3、图表都要有图标，且用5号宋体；4、参考文献根据任务书给出的范例格式写，同时要附在任务书参考文献中；5、每组同学都要有自己独特的地方，杜绝一组同学完全相同！目录第一章 绪论11.1 显微镜物镜系统的特点11.2 物镜基本类型11.3 初级像差理论2第二章 显微物镜设计及相关参数32.1 所采用的设计方案32.2 系统的特点及主要像差42.3 初始结构参数确定51、 计算外部尺寸52 、确定像差校正方程63 、确定第二块透镜的结构7第三章 ZEMAX优化设计83.1 初始结构的像质分析83.2 优化设计93.3 像差分析101、 设置评价函数102、开始优化113、继续优化11第四章 系统装配图及镜片工程图12第五章 心得体会13摘要：显微镜是有着漫长发展史的经典光学仪器之一，它的性能在不断提高，但显微物镜工作距离短在很大程度上限制了其应用。随着市场对长工作距离显微镜的迫切需求，其研发将具有重要意义。本文根据设计要求，初定物镜结构，然后利用ZEMAX 进行设计、优化，给出了一工作距离150 mm、线视场0.8、放大倍率5倍、分辨力6m 的折射式以及折反射式显微物镜的设计结果，并对比了二者的优缺点。关键词：显微物镜，优化第一章 绪论 1.1 显微镜物镜系统的特点显微物镜光学特性的特点是：焦距短、视场小，相对孔径大。因此设计显微物镜主要校正轴上点和小视场像差：球差、轴向色差和正弦差。对于较高倍率的显微物镜，由于数值孔径加大，除了校正上述三种像差的边缘像差外，还必须同时校正孔径高级像差，如孔径高级球差、色球差、高级正弦差。对于轴外像差，例如像散、垂轴色差，由于视场比较小，一般允许视场边缘的像质下降，在设计中，只有在保证前三种像差校正的前提下，在有可能的条件下加以考虑。 1.2 物镜基本类型物镜的分类：一、 按象差校正程度分类物镜的种类及象差校正程度：1消色差物镜红、蓝波区校正黄、绿波区校正存在2复消色差物镜红、绿、蓝波区校正红、蓝波区校正存在3半复消色差物镜红、蓝波区校正红、蓝波区校正存在4平场物镜存在存在已校正5平场消色差物镜红、蓝波区校正黄、绿波区校正已校正6平场复消色差物镜红、绿、蓝波区校正红、蓝波区校正已校正二、按功能分类1.相差物镜（Phase Contrast objective）：一般带有“PH”标志，字体用绿色。这种物镜是相差（相衬）镜检术的专用物镜，其特点是在物镜的后焦平面处装有相位板。用来观察无色透明的标本或活细胞，倒置显微镜上使用广泛。2. DIC物镜：一般要求半复消色差或复消色差物镜，用于DIC镜检观察无色样品或细胞，图像呈现立体感。3. HMC物镜：标有“HMC”标志，一种类似于相差物镜的物镜。观察效果有立体感。用于霍夫曼观察，但不能用于荧光观察。4.偏光物镜：一般标有“POL”字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光观察的物镜。5.荧光物镜：这种物镜的荧光透过率非常高，物镜用于对离子位移进行定性和定量的分析以及用于特别关键的荧光技术（如人类染色体的研究以及细胞遗传学）。这类物镜的突出特点是它们对340nm起的波长有特别高的数值孔径和高传输率（340nm时约为70%！）。视场平直足可以使用CCD照相。6. TIRF专用物镜：要求数值孔径大，NA一般为1.451.65。如尼康公司的APO TIRF 60/100 1.49物镜。7.多功能物镜：有的厂家生产一些多功能物镜，可以同时做相差、DIC、荧光等观察。例如奥林巴斯的UPLANFLN（万能平场半复消色差）物镜和蔡司的EC PLAN NEOFLUAR（高衬度平场新荧光）系列物镜。 1.3 初级像差理论初级像差理论：在像差理论中，把各项像差和物高y（或视场角w）、光束孔径h（或孔径角u）的关系用幂级数的形式表示出来。把最低次幂对应的像差量称为初级像差，而把较高次幂对应的像差量称为高级像差。初级像差理论忽略了y及h的高次项，在y及h均不大的情况下，初级像差理论能够很好的近似代表光学系统的像差性质，为研究和设计工作带来极大的方便。下面是各像差和数公式：球差和数 （1-1）弧矢彗差和数 （1-2）像散和数 （1-3）像弯和数 （1-4）畸变和数 （1-5）轴向色差和数 （1-6）垂轴色差和数 （1-7）1.4 像差评价方法光学领域中,对光学系统成像质量的评价一直是众所瞩目的问题。从开始设计投入使用至少有两个阶段需要对光学系统的成像质量进行客观而全面的评价。第一阶段，是指设计完成后，投入加工前，需要通过大量的计算对系统的成像情况进行仿真模拟；第二阶段，是指样品加工装配后，投入大批量生产之前，需要通过严格的试验来检测其实际成像效果。在不考虑衍射现象影响时，光学系统的成像质量主要与系统的像差大小有关。这时，可以利用几何光学方法，通过大量的光路追迹计算来评价成像质量，例如，会指点列图或各种相差特种曲线等。此外，由于衍射现象的存在，用通常的几何方法不能完全描述光学系统的成像能量分布，因此，人们也提出许多基于衍射理论的评价方法，例如，绘制实际成像波面或光学传递函数曲线等。 评价一个光学系统质量一般是根据物空间的一点发出的光能量在像空间的分布状况决定的。按几何光学的观点来看，理想光学系统对点物成像，在像空问中光能量集中在一个几何点上，因光学系统的像差而使能量分散。因此，认为理想光学系统可以分辨无限细小的物体结构。而实际上由于衍射现象的存在，这是不可能达到的。所以，几何光学的方法是不能描述能量的实际分布的。因此，人们提出许多种对光学系统的评价方法，如斯特列尔判断法、瑞利判断法、分辨率判断法和点列图法等,每种方法各有其特点,其中用得 最广泛的有分辨率法、星点法和刀口法。第二章 显微物镜设计及相关参数 2.1 所采用的设计方案（包括初始结构的确定过程：利用初级像差理论计算或现有系统作为初始结构）由于系统的相对孔径很大，而且焦距又比较短，透镜厚度和焦距之比较大，厚度的影响已不能忽略。这类系统用薄透镜系统的初级像差求解，已经没有很大的实际意义，因此我们直接查找一个现有结构作为我们的原始系统。2.2 系统的特点及主要像差这类物镜的倍率大约为，数值孔径为。最常用的为：数值孔径，倍率。图一 李斯特物镜由于物镜的数值孔径加大，对应的相对孔径增加，孔径高级球差将大大增加，采用一个双胶合透镜已经不能满足要求。为了减小孔径高级球差，这类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合 。 如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差，即双胶合透镜的，这样整个物镜能同时校正轴向色差和倍率色差。两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这是因为如果两个透镜组密接，则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当，仍然只能校正两种单色像差，如果两个透镜组分离，则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统，最多可能校正四种单色像差，这就增加了系统校正像差的可能性，因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外，还有可能在某种程度上校正像散，以提高轴外物点的成像质量。对于球差和慧差也可以各自单独校正，但那样，每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后，一般总要留有一定量的负像散，再加上系统的不可避免的场曲，使得像