光学设计之显微镜

课程设计设计题镜学生姓Xxx专业班级 指导教师xxxx2020年1月8日设计题 目显微镜光学设计成绩课程设计主要内容1、本设计的任务是设计一显微光学系统。每位同学可根据指导教 师所指定的不同技术参数值自行确定具体的设计题目、系统的用途 和要求。2、你所设计的显微光学系统的技术参数如下：（1）视觉放大率：12（2）出瞳到物面距离（沿光轴）:240mm（3）光轴折转角：603、设计要求：一份设计说明书、一张手工绘制的光学系统图图纸 和两张手工绘制的光学零件图图纸。4、说明书的正文不少于十页；书写格式参照“本科生毕业设计论文 书写格式”。5、按以下顺序装订毕业设计说明书：封面、任务书、目录、中文 摘要（含关键词）、正文、参考文献、封底。444555633计- 路理骤程的 - 思的路步进寸计 计镜思计计尺设- 设微计设设形路1显设2 3外光-摘要：光学显微镜在现今的科研、生产、医疗等众多方面都有着愈来愈普遍的应用，已成为基础科研、生产工具。在诸多专业领域众多需要特定的专用显微镜。本次设计的是放大率为120x的显微镜。关键字:目镜物镜视场角分辨率 zmax软件显微镜设计1 _、显微镜成像原理显微镜(microscope )是为提高人们取得微小信息能力的光学仪器。往往把快要处物体进行放 大的光学系统称为显微镜系统。显微镜系统通常由物镜和目镜两部份组成，实质上是利用 一个物镜和一个目镜产生两级放大的复式显微镜(需要光路对准时往往会加场镜)。2d目镜物镜A”A，眼睛B，B”图1图1是显微镜成像的光路图，图中的物镜和目镜均用薄透镜表示。显微镜的物镜AB处于 物镜的两倍焦距之内一倍焦距之外，它第一通过物镜将一放大的倒立实像A B成像于目 镜的物方焦平面上或焦平面之内很靠近的地址，然后目镜将这一实像再次放大成一放大的 正立虚像A”B”，且成像于无穷远或人眼的明视距离之外，以供眼睛观看。显微镜对物体进 行两次放大，因此与放大镜相较，具有更大的放大率，能观看到肉眼所不能直接观看的微 小物体，分辨更细小的细节。在那个地址目镜相当于放大镜，只只是这时放大镜的物是物 镜所成的像罢了。2设计思路用户提了三个方面的要求：光轴的转折角为60，出瞳到物面的几何距离（沿光轴） 为240mm，视觉放大率为12倍。依照用户所提出的要求，我做了如下的考虑：由于用户所要求的12X的显微镜属于低 倍光学显微镜，故其要紧用途是用于观看生物细胞，细菌，植物的表皮结构等。第一我考 虑了转折角度的问题，转折角为60，能够选择用等腰棱镜，使光线转折60。因此我选 择了等腰棱镜。第二我考虑了分辨率。人眼的最小分辨角为1，但一样为了让人眼看的舒 畅一点，能够将角度放大到2-4。12倍的放大率理论上是能够分辨6um的物体，但那样人 眼会长时刻处于疲劳状态。2.设计步骤3.1外形尺寸的计算放大倍率为12x。选择物镜跟目镜的放大率，我设计的显微镜分辨率为。二1.计算物镜的数值孔径依照式入取550nm，那么NA=2.分派物镜和目镜的放大率那么目镜的放大率4x由于12x的惠更斯依照数值孔径NA=，可选择B=3x物镜，目镜跟平场目镜相较较，平场目镜的视场较大，象质较好，因此我选择了的平场目镜代替 了 12x的惠更斯目镜 3. 计算物镜和目镜的焦足 口口4.5.计算显微镜的总焦距口计算目镜的线视场。3.2光路设计3.2.1物镜的设计图为本次实验的物镜的二维图，我采纳的是正向光路，优化以后，各镜头参数如表所示。图分辨率设置时我设的是数值孔径，我是在软件上通过实验来确信数值孔径的。在优化进程中， 采纳的是白光优化，采纳的优化函数为缺省优化函数，孔阑设置的位置不同，优化出来的 象质也会不同，在不段调试的进程中，我确信了物镜的第六个面为孔阑。优化事后，我会 看一下优化事后的镜子能达到多大的视场，尽力找到一个视场相对较大象质较好的结果。依照原镜头的参数，整个物镜系统的成象质量专门好，点列图能操纵在4mm之内，但 物方线视场很小，最大只能达到1mm，因此我适当的扩大了各个镜片的半径，扩大半径以 后，的在物方线视场别离为2mm时，点列图（即象散图）的RMS RADIUS均在10mm左右， 亦即象散很小，线视场为2mm时，点列图的RMS也在20mm之内。再看MTF图，在纵坐标为 处，蓝青两种颜色的光线均均达到了线对/mm，红光为线对/mm，整体成效不是很差。事实上 依照上述系统的参数，系统的线视场还能够扩大一点，最大能够达到4mm，可是那样保证 不了象质，只能达到30线对/mm，因此在那个地址我只选择了 2mm的物方视场。棱镜的设计我把棱镜与物镜组合到一路进行了优化。在分析棱镜的时候棱镜相当于一个等效的空 气层，关于整个系统要紧起象移的作用，固然对象质也会有阻碍，于是在ZEMAX软件中我 将其等成一个长与宽相等的平行平板，棱镜的通光口径我没有精准的计算，是在ZEMAX软 件上分析取得的，原那么是让所有的光线通过，因此我选择了稍大的口径，使光线完全通 过并有必然的余地。下面来看下表所示物镜与棱镜组合后的放大倍率：放大率为，大体上符合我所要求的。关于物镜的象质，我感觉不是超级的好，但我想通事后面整个系统时再优化，目镜的设计目镜我选的是平场目镜，其视场角比较大。由于目镜的出射光线为平行光，因此目镜的输入我采纳的是反向光路。优化事后的参数如表所示：分辨率我设置参数的时候用的是象高，不是视场角，由于在系统拼接的时候物镜的象亦既目 镜的象，物镜的物方线视场为2mm，8=3x，那么在目镜系统中其象方线视场至少为6mm, 我所设计的目镜象视场达到了 6mm。我设置的目镜的四个线视场别离为0, 6mm。点列图如上，中心象散很小，边缘视场 的象散也不是专门大。再看分辨率，在线视场之内，纵坐标为时达到1lp/mm，边缘处也 达到了 mm。有效焦距为，那么其放大倍数为250/=4x，符合我的要求。组合光路由于用户提出了出瞳距的要求，故我在未组合的时候便计算了有关的参数。由于等比 例缩放时会阻碍系统的有效焦距，故不能对目镜等比例缩放，不然会阻碍其放大倍率，而 关于物镜，有效焦距尽管改变了，可是物镜的放大率却不受阻碍，故我用总长度减去了目 镜的长度，然后计算出物镜需要缩放的比例，而后进行了物镜和目镜的组合，采纳的是反 向光路。由于我所设计的物镜与目镜不能完全匹配，透过目镜的光大部份都不能进入物镜， 因此我在目镜的焦面处加了一场镜，以集聚光束，并适当改变了物镜的口径，使目镜的光 大部份能通过物镜。系统拼接好后，由于我设计的是用于观看的显微镜，故没有效分划板， 因此我又进行了整体性的优化，采纳了设置有效焦距的方式以保证整个系统的放大率。 组合后各个镜片参数如表所示：表图组合后的二维图目一图在带宽为时，光线全数通过了，而边缘光线只有大部份光线通过了。关于物镜而言，边缘光能够不完全通过物镜。我设置的是象高，亦即是原显微系统的物高。设置物高别离为0，6mm （亦即物方线视场为0mm，2mm）。由上面的点列图和MTF图能够明白，在线视场为2mm内能够看 清15um的物体；在线视场为内，能够看清30-40um的物体；在整个视场范围内能够看清 10um的物体。系统的参数如表所示：T=250/=,与要求的12x误差超级小，能够忽略不计；物面到出瞳的距离L=，与要求的距 离240mm误差也超级小，能够忽略不计。显微镜系统的设计结果仍是比较令人中意的。4.优缺点及改良方法设计整体上是符合用户要求的，转折60o角使整个系统有效筒长变短，便于携带，而 且转折光路能够让人做着观看，由于我设计的是生物显微镜，人需要长时刻的观看，站着 容易令人疲劳。本次设计是第一次进行光学设计，关于ZEMAX软件把握的程度也不够，是在设计进程 中不断学习如何运用软件的，在很多方面都会有必然的局限性。本次设计中没有考虑到景 深；设计的显微镜尽管有转折角，有效筒长减少，可是不能折叠，关于携带是十分不便的； 关于生物显微镜，应该配置一照明系统，可是我没有设计照明系统；没有进行测量的工具， 只能进行定性的观看和分析。假设以后还有机遇，上述几个问题应认真考虑，以求设计出加倍完善的显微镜观看系 统。固然，若是有可能，也会考虑用CCD同意实象。5.设计感想在设计刚开始的时候，关于教师给的参数，发觉无从下手；关于软件也是从未接触， 第一次熟悉就要利用它来设计，感觉是件很困难的事。在后来的不断实践中，在学习利用 软件的进程中，对这次设计的概念愈来愈清楚，初步把握了关于软件优化进程中的一些小 技术，比如说设置不同的镜片为孔阑取得的结果是不一样的；优化进程中能够采取在小视 场范围中优化，然后看整个视场的成象质量，如此往往会比在整个视场优化成效好最终 完成了咱们这次的设计。尽管设计的结果不是很理想，可是通过这次的实践，我关于光学 显微镜的结构有了加倍深刻的明白得，关于ZEMAX软件也有了必然的熟悉，也把握了简单 的设计思路。设计进程是一个不断调试的进程，需要有充沛的时刻和极大的耐心，设计也充分表现 了咱们关于理论知识把握的程度跟咱们的动手能力。在设计中，我深刻体会到理论必然要 用于实践，理论的东西在专门大程度上都偏离了实际，只有在实际实践进程中才能不断加 深咱们对理论知识的熟悉跟把握，不断完善咱们的理论体系。这次设计感觉时刻不够丰裕，因为设计与多门考试同时进行，最后致使咱们在设计上 没有更多的时刻和耐心，也没有足够的时刻去翻阅资料，无法设计出加倍理想的系统。参考文献1.（一）应用光学胡玉禧1.（二）工程光学郁道银1.（三）光学设计图书馆刘钧1.（四）ZEMAX、LENSVIEW 资料教师提供1.（五）光学仪器设计手册（上）图书馆1.（六）几何光学.像差.光学设计图书馆一季晓彤1.（七）光学设计图书馆袁旭沧1.（八）工程光学设计萧泽新1.（九）镜头手册图书馆福建1.（十）其它