显微镜-课程设计说明书

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1、中北大学光学设计课 程 设 计 说 明 书2017 年 6 月 26 日 中北大学课程设计任务书2016/2017 学年第 2 学期下达任务书日期: 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、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

3、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。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

4、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。

5、学科部副主任审查意见：签字： 年 月 日目录第一章 绪论 .21.1 显微镜物镜系统的特点 .21.2 物镜基本类型 .21.3 初级像差理论 .2第二章 显微物镜设计及相关参数 .22.1 所采用的设计方案 .22.2 系统的特点及主要像差 .22.3 初始结构参数确定 .21、 参数计算 .22 、确定像差校正方程 .23 、确定第二块透镜的结构 .2第三章 ZEMAX 优化设计 .23.1 初始结构的像质分析 .23.2 优化设计 .23.3 像差分析 .21、 设置评价函数 .22、开始优化 .23、继续优化 .2第四章 系统装配图及镜片工程图 .2第五章 心得体会 .2摘要：显微镜是

6、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 195mm、线视场0.8、放大倍率 10 倍、分辨力 6m 的显微物镜并且对它进行优化。关键词：显微物镜，优化，zemax主要任务：查阅相关资料资料、借书。（主要是帮助其他人一起解决问题，还看了下显微物镜初始结构的设计，结果不理想）在 zmax 超级手册中查阅到了关于 10 倍显微物镜的设计，其中谈到了1第一章 绪论1.1 显微镜物镜系统的特点显微物

7、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

8、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21.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

9、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，

10、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1、球差因为照相镜头前端的球面上的每一点的镜头聚焦能力并不是相同的。从远3处照射来的平行光应该收敛在特定的焦点。但由于近轴光线和远轴光线的汇聚点不是同一个点,从而汇聚但不会成为一个点光源,而是集中在一个以光轴为对称中心线的弥散圆,称为球面像差畸变。因为球面像差的存在,导致成像模糊,从图 2-5 可以明显看出,模糊与光圈的大小有很大关系。当处于小光圈时,光圈阻止光的远轴光线,弥散斑的直径就变得比较小,成像便是清楚

11、的。当光圈变大的时候弥散斑直径变得相对较大,从而导致图像变得模糊。2、慧差慧差是主轴外某一轴外点进行成像的时候产生的像差。从光轴发射出一束水平的光通过光学系统,得到的图像呈现在平面上并不是一个点,产生一个不对称的分散点,分散点的形状貌似一颗彗星,由内至外分散的光由薄到厚,头端明亮、清晰、广泛的尾端,暗淡,模糊。类似这样的离轴光束形成的像差被叫做慧差。慧差的孔径大小受到光圈和视场的制约。我们也可以在适当的时候使用较小的光圈来降低慧差对拍照产物的干扰。3、场曲和像散当使用存在场曲的透镜进行拍摄时,只有调焦至中心时影象才能清晰,而四周的影像却是模糊的,当调焦到四周影像清晰的时候,画面的中心位置却开始

12、模糊,在平直的象平面上无法获取中心与四周同时清晰的像。可以理解为一种轴外形成的像差 1。但是较慧差有许多差异，像散只与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的汇聚点与弧失光束（镜头圆弧方向）的汇聚点位置不同，这种现象称为像散。像散就好似人眼的散光一个意思。一旦人眼散光，在两个方向上的晶状体曲率产生差异，导致看到的事物分散成一条短线。4、畸变指的是所成的像的形状发成了形变。畸变只会对象与物的相似度产生影响，但是不会使像的清晰度受影响。因为畸变,导致物方的直线在像方看来就成为了4一条弯曲的线，从而导致失真的效果。畸变分为两种：枕型和桶型。产生畸变的根源是因为镜

13、头像场中央横向放大率不同于边缘地带的横向放大率造成的。如图 2-7 所示,枕型畸变是由于左右两边的放大率上下两边的放大率造成的，而造成筒型畸变的原因恰恰与枕型畸变相反。镜头的畸变像差与透视畸变并非同一个意思，镜头畸变是由于镜头产生的，在设计镜头的过程中不妨使用非球面镜使畸变缩小甚至消除。而透视畸变是由视点、视角、镜头角度决定的，这才是透视畸变的不变规则。1.4 像差评价方法（1）球差曲线： 球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。（2）轴外细光束像差曲线： 这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T 和 S 分别表示子午和弧矢量，同色的 T 和 S 间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸