课程设计报告书--光电子元器件认知、制作与设计（五）—— -5×显微物镜的优化设计实例.docx

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1、课程设计报告书题目：光电子元器件认知、制作与设计（五）5显微物镜的优化设计实例目录一、绪论3二、设计要求4三、优化设计概述43.1 方法143.1.1 优化前准备43.1.2 建立评价函数73.1.3 优化83.1.4 像质评价113.2 方法211321初始解113.2.1 优化前准备123.2.2 建立评价函数13323第一步优化133.2.3 第二步优化143.2.4 第三步优化16三、评语19四、参考文献19一、绪论如果已知光学系统的结构参数和物体的位置大小，则可以通过对光学系统进行光线追迹，计算出物体经过该光学系统所产生的像差大小，从而对物体经过该光学系统所成像的质量进行评价。另一方

2、面，在工程实际中，往往需要进行光学系统的设计，即对于给定的物体，在满足一定技术条件和要求的前提下，根据像差理论，确定满足一定成像质量要求的光学系统结构参数。所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价1、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共飘距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。一

3、般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。2、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：（1）根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。（2）从已有的资料中选择初始结构这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从

4、类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。3、象差校正和平衡初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。4、象质评价光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有象差都

5、校正到零，必然有剩余象差的存在，剩余象差大小不同，成象质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。本课程设计介绍光学系统的优化设计方法，以“-5X显微物镜的优化设计实例”来进行实践光学设计。二、设计要求利用ZEMAX程序优化设计一个5x显微物镜。先依据初级像差理论解出初始结构，然后在计算机上进行优化，找到一个像质较优的解。5x显微物镜展开的光路如下简图1-1所示。具体设计任务的要求为：（1）焦距r=23.6；数值孔径NA=O.15（%，=0.15r4d）;线视场2y=15mm;按照计算光路的方向，横向放大率S

6、=T5X；（2）光路中有一块棱镜，展开长度为d=38.63制,材料是K9玻璃。它离物平面24.19mm,即/1=-24.19mm；离物镜92/wn,即d2=92mm；（3）镜头采用双胶结构，孔径光阑安放在物镜上；（4）镜头只消球差，彗差和位置色差；（5）像质按显微物镜像差允限要求；（6）该显微物镜用于目视观察，对d光消单色像差，对F光和C光消色差。（7）用PW方法选出玻璃对，解出初始结构；（8）利用ZEMAX程序优化初始结构，使像质达到像差公差要求；三、优化设计概述利用ZEMAX程序优化设计一个-5x显微物镜，采用两种方法设计。方法1先依据初级相差理论解出初始结构，然后在计算机上进行优化，找到

7、一个像质较优的解。方法2直接选用一对玻璃并大致分配光焦度后送入计算机进行优化。3.1 方法13.1.1 优化前准备方法1是根据初级像差理论先解出-5倍显微物镜的初试结构参数.这个初始结构参数已在本章的第五节中求出，并根据相关技术标准确定了双胶合物镜的通光孔径和厚度，据此计算出了物镜的三色球差曲线。操作步骤如下:1、如图填写数据SurfzTypeCommentRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinity23.2000001StandardIzifxnxty38.630000K92StandardInfinity92.000000STOStandardInfini

8、ty0.0000004Standard18.010003.000000BAK7SStandard-9.8190001.200000ZF3Standard-27.69800028.330000IMAStandardInfiziity2、设置物面空间光圈数值为0.03NeWlOpeISavSasUpd|(GenFieIWaVlLayL3dIRayIOpdIFedSptIMGeneralFilesINoneSecApertureTitleApertureType:ApertureValue:ApodizationType:APIMfeatiOnFactor:VTelecentricObjectSIU

9、entialPolarizationRayAimingMisc./NotesIUnitsGlassCatalogsEnvironmentObjectSpaceNA色0.0-Uniform色0paceI碓I取消I应用&)I帮助3、设置波长、物面高度3 ZEMAX-EE 2 E:122MX File Editors System Analysis Tools Reports Mi _ New 0PelSaVlSa$ IUpd Gen Fie Wav .LayWavelength DataUseWavelength Lm)WeightUsil 10.486132701l 20587561801l 3

10、0.656272501 40.550000001 50.550000001 60.550000001 70.550000001 80.550000001 90.550000001 100.550000001 110.550000001 120.550000001ISelect Rd, C !Visible) I PnnOKCancelHelpSaveNew Ope Sav Sas Upd Genllf在 WaVlField DataC Angle (Deg)IG ObjectHeightIUse XReHY-FieldWeightl 1 O01.0000I l 2 251.0000l 3 O5

11、1.0000f 4O7W1.00005 01.00006 51.00001厂7 101.000081.0000951.0000r 10Q51.0000rn1.0000 12OIO1.0000OKCancelSetVigClr Vig4、查看纵向相差18.0160003.000000-9.8190001.200000-27.698000.330000Infinity一Thickness solve on surface 6Solve Type:IMdtginal Ray HeightHeight:lPupil Zone:Cancellayout *Spt Di9ranMTFP$fWavefror

12、tSuf0Iz9e Mab5 GceuUr ArwVsitMhc4XCQAberration CoeffidemsCakuhtiomGiMt Gd Grdit IndviUrwve MOtPo4nzonCostingsPhyM Ope4TuetaM0MUty2.20cooUltyM. 30000inityM.C40000Muty0.000000”08 WOOO1.200000n.M0133Mlnty-y0pdfp(HEnc AMunDiftGrid 0n lterl Co4xYYhr Drawing Chromatk Fcc4 SKft Syttm Sunvnry Graphic5、物镜的三色球差曲线如图3-1PUPILRFOIUS；M.22Z2MILLIMETERSLSC工TUDI：NFLRBERRRT工NMONJUNS201ENflVELENGTHS;0.M36J.5-0.b565.ZMXr11NFT11IIPATTN1AF图3-1初始结构对应的球差曲线从图中像差曲线数据看，求解还是成功的，但球差和位置色差的校正状况还很不理想.需要进一步改善的地方是：边缘球差尚不为零(俗称求差曲线没有封口)，位置色差校正状态不理想。3.1.2 建立评价函数下面进行优化取物镜的前两个半径作为变量，有他的第三个半径保证像方数值孔径。1、做如下操作并查看优化前的图像2、建立评