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1、1应用光学课程设计应用光学课程设计低倍显微镜设计低倍显微镜设计学院： 光学与电子信息学院 专业： 光电信息工程 班级： 光电 1209 学号： U 姓名： . 2015 年 1 月 15 日2目录目录一选题背景及参数说明.31.1 选题背景及意义.31.2 显微镜主要技术指标及说明.4二外形尺寸计算.42.1 显微物镜初始结构计算.42.2 显微镜目镜的选取.9三系统的优化.103.1 物镜像差容限的计算：.103.2 物镜优化：.103.3 目镜优化.163.4 系统结果.23四光学系统零件图.26五总结与心得体会.283一选题背景及参数说明一选题背景及参数说明1.1 选题背景及意义选题背景
2、及意义光学显微镜（Optical Microscope，简写 OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。显微镜作为一种精密的光学仪器，已有 300 多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和事物的细小单元。不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜。人类在科学史上的多次重大发现都离不开显微镜的功劳。下图为显微镜结构原理图。显微镜系统结构图41.2 显微镜主要技术指标及说明显微镜主要技术指标及说明显微镜的技术指标是根据所需要观察的对象决定的。1、 显微镜的放大率由倍率公式 =12=显微镜总放大倍率：物
3、镜的放大倍率， ：目镜的放大倍率12选择适宜的倍率为-4*倍；12、 显微镜的机械筒长通常是标准化的，我国目前的标准为 160mm；二外形尺寸计算二外形尺寸计算2.1 显微物镜初始结构计算显微物镜初始结构计算显微镜的成像原理示意图用 PW 法计算显微物镜初始结构参数具体方法如下：（1） 选型：一般选择的显微物镜的共轭距离为 190mm，由于设计的是低倍显微镜故选择物镜的垂轴放大率为-。数值孔径为 0.1，物高为 2mm。则可列4方程组为：5 = = 4 = 19011 =1解此方程求得：， ， = 30.4 = 38= 152（2）用 PW 法计算显微物镜初始结构参数具体方法如下：选择结构型式
4、及确定基本像差参量，低倍显微物镜视场很小，数值孔径也不大，只要求校正球差、正弦差和位置色差，选取双胶合物镜便可满足要求。取共轭位置的像差参量为,，= 0 = 0 = 0必须把像差参量进行规化。已知数值孔径，由于物方是空 = 11= 0.1气，故，1= 11= 1= 0.13=1= 0.1 4= 0.025 =11= 38 （ 0.1） 1 30.4= 0.1251=1= 0.1 0.125= 0.8则像差公式可=2= 0 =()2= 0 =()2= 0= + 1(4 + 1) + 21(5 + 2)3.296= 0 0.8 + 0.64 (5 + 2 0.7) = + 1(2 + ) = 0
5、0.8 (2 + 0.7) = 2.1（3） 、选择玻璃当是较大的负值时，尽量取火石玻璃在前为宜。可以使双胶合物镜胶合面半径较大，使得高级像差小一些。则=0 0.85(+ 0.2)2= 3.296 0.85( 2.16 + 0.2)2= 0.030646根据和的值，查表可选择 F3 和 QK3 两种玻璃组成双胶合物镜。再由表差0得有关参数：，A=2.，B=-25.383151= 1.C=65.4475， K=1.，L=-9.15655=5.， =0.，=-0.000P=0.， =1.6164， =1.487412（4）求形状系数 = 0 0= 5. 3.296 0. .或 4.= 6. = 0
6、+ 0 + 1 2= 5. +( 2.16 + 0.) 2 2.46222 + 1= 4.取 Q=4.。（5）由 Q 求透镜各面规化的曲率1= +11 11= 4. +1.6164 1.6164 1 ( 1.)=1.2= + 1= 4. 1. = 2.3= +22 11 2 1= 4. +1.4874 1.4874 1 ( 1.) 1 1.4874 1= 1.（6）由 Q 求透镜各面规化的曲率1= 1=30.4 1.= 26.91782=2=30.4 2.= 10.45713=3=30.4 1.= 21.8256（7）现将该透镜系统结构数据整理如下：物距 入射光瞳 2h=7.6mm = 387
7、rd玻璃牌号1= 26.91781= 0F3r2=10.45712= 0QK33= 21.8526（8） 、求厚透镜各面的球面半径。光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下：光学零件外径的确定。根据设计要 sin物距，可1= 0.1= 146.5算出通光口径 D=15.28mm。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得余量为1.5mm，由此可得透镜的外径为 16.78mm。光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。 查表可得边厚 t=1mm，中心最小厚度 d=1.0。为了保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：对凸透镜
8、：高精度3 + 7 中精度6 + 14 其中还必须满足 0.05对凹透镜：高精度且8 + 2 0.05中精度且16 + 4 0.03式中，d为中心厚度，t为边缘厚度。具体结构如图所示。根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。凹透镜： 8 + 2 = 8 = + 8(2 1)10式中为球面矢高，可由下式求得 1、2 = 2(2)2根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得，。1= 1.672= 4.21 = + 8(2 1)10= 3.711= 1+ 2= 6.25凸透镜： 3 + 7 = = + 3(1 2)10式中为球面矢高，可由下式求得 x2、x3 = 2(2)2式中r为折射球面半径，D为透镜
9、外径。根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得 3= 1.67然后，再将它带入式求得凸透镜最小边缘厚度： = + 3(3 2)10= 0.086凸透镜最小中心厚度：2= 3+ 2= 5.79在保持 u 和 u角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的 u 和 u角不变，由式和式 =( (1/)2 可知当 u 和 u不变时，P、W 在变换时可保持不变，放大率亦保 = =1持不变。当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则光学系9统的光焦度亦保持不变。（9）最终可得物镜：rd玻璃牌号1= 26.91781= 6.25F3r2=10.45712= 5
10、.79QK33= 21.85262.2 显微镜目镜的选取显微镜目镜的选取目镜放大率选取为 20 左右，焦距 fe=250/=250/20=12.85 。查阅光学设计手册 P282，根据所需参数选取目镜 2-02：选用的玻璃分别为 BK7,BK7 和 F510三系统的优化三系统的优化3.1 物镜像差容限的计算：物镜像差容限的计算：根据之前的计算，已基本得到了双胶合物镜的初始结构参数。现在我们知道：物距：38mm，入瞳直径：7.6mm。因为入瞳在物镜上，所以第一面为 STO 面，各面曲率半径已知。1） 焦距 3031mm 为合格；2） 放大倍率-3.85-4.25 为合格3）像差容限i)球差：根据瑞利判断准则，系统所产生的最大波像差由焦深决定。令其小于
