华科应光课程设计--显微镜的设计

1应用光学课程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：U201214…姓名：...2015年1月15日2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............................................................................................................93.1物镜像差容限的计算：..................................................................................93.2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1.1选题背景及意义光学显微镜（OpticalMicroscope，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Γ=β1Γ2Γ=显微镜总放大倍率β1：物镜的放大倍率，Γ2：目镜的放大倍率选择适宜的倍率为β1＝-4*倍；2、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2.1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-4∗。数值孔径为0.1，物高为2mm。则可列方5程组为：β=l‘l=−4∗l’−l=190mm1l‘−1l=1f’解此方程求得：f‘=30.4mm，l=−38mm，l’=152mm（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𝐂𝐈=0,𝐏=0，𝐖=0必须把像差参量进行规化。已知数值孔径NA=n1sinU1=−0.1，由于物方是空气，故n1=1，u1=sinU1=−0.1𝐔𝟑‘=𝐮1β=−0.1−4=0.025𝐡𝛗=l1u1f‘=−38∗(−0.1)∗130.4=0.125𝐮𝟏=𝐮𝟏𝐡𝛗=−0.10.125=−0.8则像差公式可𝐂𝐈=𝐂𝐈𝐡𝟐𝛗=0𝐏=PI(hφ)2=0𝐖=w(hφ)2=0𝐏∞=P+𝐮𝟏(4𝐖+1)+u12(5+2μ)=0−0.8+0.64∗(5+2∗0.7)=3.296𝐖∞=𝐖+𝐮𝟏(2+μ)=0−0.8∗(2+0.7)=−2.1（3）、选择玻璃当𝐖∞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6𝐏0=𝐏∞−0.85(𝐖∞+0.2)2=3.296−0.85(−2.16+0.2)2=0.03064根据P0和CI的值，查表可选择F3和QK3两种玻璃组成双胶合物镜。再由表差得有关参数：φ1=−1.095808，A=2.462220，B=-25.38315C=65.4475，K=1.731110，L=-9.15655Q0=5.1545526，𝐏0=0.025670，𝐖0=-0.236602P=0.821632，n1=1.6164，n2=1.4874（4）求形状系数Q=Q0±√𝐏∞−𝐏0A=5.154526±√3.296−0.030642.462220=6.306127或4.002924Q=Q0+𝐰∞−𝐰0A+12=5.154526+(−2.16+0.236602)∗22.46222+1=4.043448取Q=4.002924。（5）由Q求透镜各面规化的曲率ρ1=Q+n1n1−1φ1=4.002924+1.61641.6164−1∗(−1.095808)=1.129361ρ2=Q+φ1=4.002924−1.095808=2.907116𝜌3=𝑄+𝑛2𝑛2−1−1𝑛2−1=4.002924+1.48741.4874−1∗(−1.095808)−11.4874−1=−1.392859（6）由Q求透镜各面规化的曲率r1=f’ρ1=30.4mm1.129361=26.9178mmr2=f′ρ2=30.4mm2.907116=10.4571mr3=f′ρ3=30.4mm−1.392859=−21.8256mm7（7）现将该透镜系统结构数据整理如下：物距l=−38mm入射光瞳2h=7.6mmrd玻璃牌号r1=26.9178d1=0F3r2=10.4571d2=0QK3r3=−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：①光学零件外径的确定。根据设计要sinU1=0.1物距l‘=146.5mm，可算出通光口径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。②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：高精度3d+7t≥D中精度6d+14t≥D其中还必须满足d0.05𝐷对凹透镜：高精度8d+2t≥D且d≥0.05D中精度16d+4t≥D且d≥0.03D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。8凹透镜：8d+2t=Dt=D+8(x2−x1)10式中x1、x2为球面矢高，可由下式求得x=r±√r2−(D2)2根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得x1=1.67mm，x2=4.21mm。t=D+8(x2−x1)10=3.71mmd1=t−x1+x2=6.25凸透镜：3d+7t=Dt=D+3(x1−x2)10式中x2、x3为球面矢高，可由下式求得x=r±√r2−(D2)2式中r为折射球面半径，D为透镜外径。根据图双胶合透镜将已知数据代入可求得x3=−1.67mm然后，再将它带入式求得凸透镜最小边缘厚度：t=D+3(x3−x2)10=0.086mm凸透镜最小中心厚度：d2=t−x3+x2=5.79mm③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𝐏=(∆𝐔∆(1/𝐧))2∆𝐮𝐧和式𝐖=𝐏𝐧𝐢=∆𝐮∆1𝐧∆𝐮𝐧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，则光学系统的光焦度亦保持不变。9（9）最终可得物镜：rd玻璃牌号r1=26.9178d1=6.25F3r2=10.4571d2=5.79QK3r3=−21.85262.2显微镜目镜的选取目镜放大率选取为20左右，焦距fe’=250/Γ=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F5三．系统的优化3.1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：10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30～31mm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。令其小于或等于1/4波长，即可得到边光球差的容限公式为：δLm′≤4λn′u′2=0.1504mm（λ取波长2）ii)慧差：我们用慧差代替正弦差SC≤0.0025，即慧差Ks’=Sc‘∗y’=0.0025∗12=0.03，即小于0.03即可。iii）波色差：WFC≤(λ/2~λ/4).3.2物镜优化：输入初始结构如下：优化之前光路图为：11优化之前各图为：1213优化SPHA球差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差，并且目标有效焦距EFFL为30.4mm，放大率PMAG设定为-4。优化之后数据图如下：14优化后各图变为：15通过与优化前的比较可看出，点列图明显得到优化，Rayfan图和OPDfan图数值有了明显优化。基本符合要求。从systemdata里读出物镜有效焦距为30.552313mm，符合设计要求。16像差的seidelcoefficients如图从该表中可以看出像差各项较小，符合设计要求。球差，色差和弧矢彗差等得到了校正。3.3目镜优化根据所选取的目镜，在zemax里输入相应的初始参数，目镜反向设计得到如下图示：17优化之前光路图为：优化前各图为：1819可见直接从光学手册里获得的目镜误差极大，需要进行优化。所需优化的值为SPHA(球差)，,COMA彗差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差