毕业设计（论文）光学设计软件OSLO应用

武汉软件工程职业学院2009级毕业论文（设计）课题名称 光学设计软件OSLO应用 学生姓名 学 号 班 级 光电0905 指导老师 丁弛竹 完成时间：2012年 04 月 03 日光电子与通信工程系目录 目 录.2摘 要.3第一章 引言4第二章 软件简介及主要功能5 第一节OSLO设计目标及能力 5 第二节OSLO的主要优点 5 第三节OSLO的主要特征 6 第三章显微镜的目镜的设计及分析.7 第一节 显微镜目镜设计思路 7 第二节 显微镜目镜设计步骤 8 第三节 显微镜目镜设计过程 8 第四节 显微镜目镜光路设计 9第4章 优缺点及改进措施.15第五章 设计感想 16 参考文献 17 光学设计软件OSLO应用 摘要： OSLO 是 Optics Software for Layout and Optimization 的缩写。 OSLO 主要用于照相机、通讯系统、军事/空间应用、科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中光学元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的优势。此外，OSLO也用于模拟光学系统的性能，并且能够作为一种开发软件去开发其他专用于光学设计、测试和制造的软件工具。 光学显微镜在当今的科研、生产、医疗等众多方面都有着越来越广泛的应用，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。 关键字：目镜 物镜 视场角 分辨率 SOLO软件第一章 引言21世纪的光学不仅成为信息科学中的信息载体和主角之一，而且融合了微电子、自动化、计算机和信息管理等技术，形成了光机电一体化的综合性高新技术。尽管大多数光学设计软件具有一定的相似性，但是在功能上和设计方法上还是存在很大的差异。OSLO在光学设计的“竞争”中已经成为一个主流的光学设计软件。虽然OSLO 的历史可以追溯到二十世纪六十年代早期，但是它在本质上是一个面对对象的windows 程序，具有唯一的内置应用程序管理器/编译器，在桌面计算机上能够提供非常高的性能。它源自美国Univ. of Rochester光学所，是一套功能强大且契合今日光学产业需求的软件。此外，除了传统的透镜设计特点外，OSLO 还结合了高阶的光线追迹、分析以及利用宏语言方式来解决种类繁多的光学设计问题，体现了强大的优势。显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里。人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。 电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。第二章 软件介绍及主要功能第一节 OSLO设计目标及设计能力1.目标通过本课题的研究，了解光学设计软件OSLO的基本操作和应用。 2. OSLO 的设计能力几乎任何一个涉及到光波传播的光学系统都可以使用OSLO进行设计，以下是一些典型的应用示例： · 常规镜头Conventional Lenses · 缩放镜头Zoom Lenses · 高斯光束/激光腔Gaussian Beam/Laser Cavities · 光纤耦合光学Fiber Coupling Optics · 照明系统Illumination Systems · 非连续传播系统Non-Sequential Propagation Systems · 偏振光学Polarization-Sensitive Optics · 高分辨率成像系统High-Resolution Imaging Systems 此外，OSLO还可以设计具有梯度折射率表面、非球面、衍射面和光学全息、透镜矩阵、干涉测量仪等光学系统。OSLO不适于波导设计，也不适于眼镜设计。第二节 OSLO 的主要优点(1).以设计者为导向的设计风格。 OSLO 着重交互性的光学设计，在设计过程中，计算机向设计者提供容易理解的反馈信息。这使得设计者能够及时作出取舍决定，选择最佳的解决方案。 OSLO 在使用交互性设计控制方面是独特的，这使得它的用户界面尽可能的直观。 功能强大并且精确度高。 OSLO 使用先进的光学设计技术，包括多重优化和公差方法，高性能非连续光线追迹和随机的光源建模与分析。OSLO 是第一个出现在桌面计算机上使用的严格的光学设计软件，并且与其他软件相比更得到广阔的发展。 (2).灵活性强。 OSLO 能够在世界范围内成为主导的设计工具的一个主要原因是，它很容易根据用户需要进行定制，并且能够将程序改编成特殊的需要。这是因为OSLO 使用先进的软件技术，将Windows 的功能带进技术计算领域。事实上，OSLO 提供的 CCL 语言相对于 Sun 公司的 Java 语言或Microsoft的 Visual Basic 以及其他光学设计软件的宏语言具有更好的灵活性。第三节 OSLO 的主要特征 OSLO 是一个具有上千条内部命令和函数的非常大的程序，而且， OSLO的可执行模块能够被用户按规则进行修改和重新编译，因而，其功能非常强大。以下是OSLO的一些总体特征概括： · 具有透镜和材质数据库Lens and Material Databases · 具有特殊表面数据Special Surface Data · 缩放和多配置系统Zoom and Multiconfiguration Systems · 透镜矩阵和非连续组件Arrays and Non-Sequential Groups · 特殊孔径Special Apertures · 公差和元件数据Tolerance and Element Data · 偏振和光学薄膜Polarization and Thin Film Coatings · 光线追迹Ray tracing · 衍射和部分相干Diffraction and Partial Coherence · 优化方法Optimization Methods · 误差分析Tolerance Analysis · 激光、光纤和高斯光束Lasers, Fibers, and Gaussian Beams · 照明系统Illumination Analysis · 完美透镜Perfect Lenses and Eikonals第3章 显微镜目镜的设计及分析第一节 设计思路 1.显微镜成像原理 显微镜(microscope)是为提高人们获得微小信息能力的光学仪器。往往把将近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分组成，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）。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，它首先经过物镜将一放大的倒立实像AB成像于目镜的物方焦平面上或焦平面以内很靠近的地方，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以外，以供眼睛观察。显微镜对物体进行两次放大，因此与放大镜相比，具有更大的放大率，能观察到肉眼所不能直接观察的微小物体，分辨更细小的细节。在这里目镜相当于放大镜，只不过这时放大镜的物是物镜所成的像而已。 2. 设计思路设计的显微镜属于低倍光学显微镜，故其主要用途是用于观察生物细胞，细菌，植物的表皮结构等。首先我考虑了转折角度的问题，转折角为60°，可以选择用等腰棱镜，使光线转折60°。因此我选择了等腰棱镜。其次我考虑了分辨率。人眼的最小分辨角为1´，但一般为了让人眼看的舒服一点，可以将角度放大到2-4´。12倍的放大率理论上是可以分辨6um的物体，但那样人眼会长时间处于疲劳状态。第2节 设计步骤 第3节 设计过程 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=1.5um。（1） 根据数值孔径NA=0.06，目镜的放大率4x。（2） 计算目镜的焦距 20.02mm （3）计算目镜的线视场。第4节 光路设计 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，所以目镜的输入我采用的是反向光路。输入面形数据：1. 单击“Draw Off”打开Autodraw窗口。2. Lens名称设为“Spherical mirror”。3. 设凹面镜的半径为16mm，将surface 1（AST）的RADIUS改为-16（mm）。4. 将surface 1（AST）的材料由AIR改为Reflect(hatch)或者Reflect。5. 将THICKNESS改为-8（mm）。6. 确认。绘图设置：1. 菜单栏上单击Lens，选择Lens Drawing Conditions2. 在Image space rays后选择Draw rays to image surface。3. 底部的表格设置显示的光线。在Rays列中将Frac Y Obj = 0.00000的光线数设为11。4. 单击绿色小钩图标关闭设置。优化过后的参数如表所示： 二维图三维图波阵图点列图 由一点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图忽略了衍射效应。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似代表点像的能量分布。因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。入射频率调制传递函数分析图入射点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，=3x，则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分别为0，4.2mm，6mm。点列图如上，中心象散很小，边缘视场的象散也不是很大。再看分辨率，在线视场4.2mm以内，纵坐标为0.78时达到1lp/mm，边缘处也达到了 9.5p/mm。有效焦距为51.123mm，则其放大倍数为250/51.123=4x，符合我的要求。第4章 优缺点及改进措施设计总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，而且转折光路可以让人做着观察，由于我设计的是生物显微镜，人需要长时间的观察，站着容易使人疲劳。本次设计是第一次进行光学设计，对于ZEMAX软件掌握的程度也不够，是在设计过程中不断学习如何运用软件的，在很多方面都会有一定的局限性。本次设计中没有考虑到景深；设计的显微镜虽然有转折角，有效筒长减少，但是不能折叠，对于携带是十分不便的；对于生物显微镜，应该配置一照明系统，但是我没有设计照明系统；没有进行测量的工具，只能进行定性的观察和分析。若以后还有机会，上述几个问题应仔细考虑，以求设计出更加完善的显微镜观察系统。当然，如果有可能，也会考虑用CCD接受实象。 第五章 设计感想在设计刚开始的时候，对于老师给的参数，发现无从下手；对于软件也是从未接触，首次认识就要利用它来设计，感觉是件很困难的事。在后来的不断实践中，在学习使用软件的过程中，对这次设计的概念越来越清晰，初步掌握了对于软件优化过程中的一些小技巧，比如说设置不同的镜片为孔阑得到的结果是不一样的；优化过程中可以采取在小视场范围中优化，然后看整个视场的成象质量，这样往往会比在整个视场优化效果好最终完成了我们这次的设计。虽然设计的结果不是很理想，但是通过这次的实践，我对于光学显微镜的结构有了更加深刻的理解，对于ZEMAX软件也有了一定的认识，也掌握了简单的设计思路。设计过程是一个不断调试的过程，需要有充足的时间和极大的耐心，设计也充分体现了我们对于理论知识掌握的程度跟我们的动手能力。在设计中，我深刻体会到理论一定要用于实践，理论的东西在很大程度上都偏离了实际，只有在实际实践过程中才能不断加深我们对理论知识的认识跟掌握，不断完善我们的理论体系。这次设计感觉时间不够充裕，因为设计与多门考试同时进行，最后导致我们在设计上没有更多的时间以及耐心，也没有足够的时间去翻阅资料，无法设计出更加理想的系统。 参考文献· （一）光学设计软件OSLO应用 教师提供· （二）光学设计 图书馆· （三）光学仪器设计手册(上) 图书馆 · （四）其它武汉软件工程职业学院毕业设计成绩鉴定表姓名系光电子与通信工程系专业光机电应用技术班级光电0905设计主题光学设计软件OSLO应用指导教师丁弛竹设计思想摘要【摘要】光学显微镜在当今的科研、生产、医疗等众多方面都有着越来越广泛的应用，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。 关键字：目镜 物镜 视场角 分辨率 SOLO软件设计鉴定设计鉴定意见：设计鉴定等级：鉴定小组负责人签名： 系 盖 章： 年 月 日19