光學系統(tǒng)設計實驗報告設計題目測量顯微鏡光學系統(tǒng)專業(yè)班級光信息081班學生姓名學號指導老師一實驗目的1了解光學系統(tǒng)設計的基本步驟，學會基本外形尺寸的計算。2熟悉ZEMAX軟件的操作，了解操作要領，學會應用基本的相差評價函數(shù)并進行優(yōu)化。二、實驗器材ZEMAX軟件、相關實驗指導書三、設計要求1）設計說明書和鏡頭文件。鏡頭文件包括物鏡鏡頭文件、目鏡鏡頭文件和光學系統(tǒng)鏡頭文件。2）部分技術參數(shù)選擇目鏡放大率10沿光軸,目鏡最后一面到物面沿光軸的幾何距離280毫米對工件實邊緣的對準精度為22微米其它參數(shù)自定3）其他要求視場大小自定，盡可能大些，一般達到商用儀器的一半?？梢圆患永忡R。如加棱鏡，折轉角大小自定。棱鏡可以按照等效玻璃板處理?？梢詫ξ镧R和目鏡進行整體優(yōu)化或獨立優(yōu)化?？梢约由螩CD。四、具體設計1系統(tǒng)結構設計思路1系統(tǒng)結構框圖物體經(jīng)物鏡所成的放大的實像與分劃板重合，兩者一同經(jīng)目鏡成一放大的虛像。棱鏡的型式為斯米特屋脊棱鏡，它能使系統(tǒng)成正像，并且使光路轉折45角，以便于觀察和瞄準（此處可以不加設計）。為避免景深影響瞄準精度，物鏡系統(tǒng)采用物方遠心光路，即孔徑光闌位于物鏡像方焦面上。（圖1顯微鏡系統(tǒng)結構圖）2等效光路原理圖（圖2顯微鏡無光軸偏轉的等效光路圖）2外形尺寸計算1首先繪出光學系統(tǒng)的等效光路原理圖。如圖所示，首先將棱鏡作為等效空氣平板處理。2求實際放大率。系統(tǒng)的有效放大率由系統(tǒng)的瞄準精度決定。用米字形虛線瞄準被測件輪廓，得系統(tǒng)有效放大率由于工具顯微鏡一般要求有較大的工作距和物方線視場，又要求共軛距不能太長，因而工具顯微鏡的實際放大率和物鏡的放大率均不宜過大。取實際放大率為3求數(shù)值孔徑4求物鏡和目鏡的放大率目鏡的放大率物鏡的放大率5求目鏡的焦距301022156NSIUKNA3E10MFE2521572K6求視場光闌（分劃板）的直徑D，考慮到像質及物方線視場的大小，取視場光闌的直徑7求物方線視場的大小8求共軛距存在等效空氣平板且有9求物鏡的焦距由高斯公式10求物鏡的通光口徑D物和孔徑光闌直徑D孔11求斯米特屋脊棱鏡的各尺寸此次不設計3光學部件的結構形式1）顯微鏡物鏡的光學性能參數(shù)主要性能參數(shù)是數(shù)值孔徑，垂軸放大率，視場。（圖3顯微物鏡）可選取低倍物鏡36倍，如上圖所示2顯微鏡目鏡的光學性能參數(shù)像方視場角,焦距,出瞳距，工作距離MY12視43MLF8125470FLLLE25163YNALD5182物MFO749孔（圖4顯微目鏡）選取對稱式目鏡，如上圖所示4光學系統(tǒng)的拼接和優(yōu)化1）物鏡設計及優(yōu)化在物鏡庫中選取符合3倍放大率，焦距在47MM左右的鏡頭，輸入?yún)?shù)，經(jīng)過優(yōu)化后物鏡成品參數(shù)圖如圖5所示（圖5顯微物鏡參數(shù)）（備注由于優(yōu)化過程復雜，物鏡的焦距有變化，但可以保證放大率）在像方焦點處設置孔徑光闌，并由NA0102限制。設置物高為2MM，取2條權重均為1的特殊光線，光路圖如圖6所示，物鏡共軛距為255MM左右，基本滿足設計要求。（備注最后在合成時為了使系統(tǒng)成像更加清晰，優(yōu)化后系統(tǒng)共軛距為24305033MM，焦距為4562139MM）（圖6顯微物鏡光路圖）（圖7顯微鏡物鏡數(shù)據(jù)）設置評價函數(shù)為默認類型，并限制PMAG放大率為為3，物鏡部分性能函數(shù)如圖8圖9，可見物鏡成像較為會聚滿足設計要求（圖8物鏡標準點列圖）圖9物鏡MTF傳遞函數(shù)2）目鏡設計（暫時不優(yōu)化）從目鏡庫中選擇10倍放大率的目鏡，因目鏡成像于無窮遠處，為便于分析成像質量，在目鏡后添加一塊理想透鏡對目鏡的像進行會聚，參數(shù)和光路圖如圖10圖11所示（圖10顯微目鏡參數(shù)）（圖11顯微目鏡光路圖）目鏡的數(shù)據(jù)如圖12，等效焦距約為25MM圖12顯微目鏡數(shù)據(jù)目鏡成像分析從光路圖中可看出目鏡對近軸光線放大后成像效果較好，而對離光軸較遠處的光線成像不好，表現(xiàn)在出射光不平行目鏡點列圖如圖13，物點對于兩條遠軸光線成像為像斑，成像較差，目鏡不做優(yōu)化，只對組合后顯微鏡整體優(yōu)化（圖13顯微目鏡點列圖）3）顯微鏡組合及優(yōu)化選擇將目鏡拼接至物鏡的方法，并適當修改分劃板到目鏡的距離使系統(tǒng)長度在260MM，并優(yōu)化理想透鏡的物距使成像為一點，優(yōu)化后參數(shù)及光路圖如圖14圖16所示，成像細節(jié)如圖15所示（圖14顯微鏡優(yōu)化后參數(shù)）（圖15顯微鏡成像細節(jié)）從成像細節(jié)上不難看出出射光線基本滿足平行光，且較好地匯聚在了像屏上（圖16顯微鏡光路圖）顯微鏡系統(tǒng)數(shù)據(jù)僅從目鏡最后一面到物面沿光軸的部分如圖18所示，從目鏡最后一面到物面沿光軸的幾何距離為280MM，與要求相比誤差極小，系統(tǒng)有效焦距為8443476MM，對應放大率是29608，基本上符合30倍的總放大率要求（圖17顯微鏡結構數(shù)據(jù)）（圖18顯微鏡整體光路及長度）顯微鏡成像分析圖19顯微鏡成像點列圖（圖20顯微鏡成像光線像差扇形圖）（圖21顯微鏡幾何像分析）（圖22顯微鏡MTF傳遞函數(shù)）從圖19圖22可看出顯微鏡成像雖不是太均勻，但是較為集中，且畫面失真較小，衍射現(xiàn)象不是太明顯，滿足應用需求四、結果評價1）分劃板可以考慮做得再小些，太大的物高造成實際透鏡入瞳要高于理論值，否則邊緣光線丟失。當將分劃板直徑減小至12MM時，物高理論值為2MM。2）此次設計沒有考慮到顯微鏡的可換性，即對組合后的顯微鏡進行了整體優(yōu)化。對于商用顯微鏡，應分別對物鏡及目鏡優(yōu)化，組合以后不再優(yōu)化，以便商用顯微鏡進行物鏡目鏡的更換，改變倍率3）棱鏡的添加棱鏡和玻璃平行平板對像質影響相同，故可用玻璃平板表示棱鏡，玻璃平行平板厚