1、1应用光学课程设计设计题目：基于 Zemax 的光学显微镜设计学 号：教师职称：2设计题目 基于 Zemax 的光学显微镜设计 成绩课程设计主要内容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：60指导教师评语3目录1. 显微镜成像原理与设计思路31.1 显微镜成像原理31.2 设计思路42.设计步骤43.设计过程53.1 外形尺寸的计算53.2 光路设计63.2.1 物镜的设计63.2.2 棱镜的设计73.2.3 目镜的设计83.2.4 组合光路84. 优缺点及改进措施125. 设计总结12摘要：光学显微镜在当今的科研、生
2、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。本次设计的是放大率为 12x 的显微镜。关键字：目镜 物镜 视场角 分辨率 zmax 软件一、显微镜成像原理与设计思路1.1 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） 。4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
3、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。 1.2 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。根据用户所提出的要求，我做了如下的考虑：由于用户所要求的 12X 的显微镜属
4、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。2设计步骤目镜眼睛BAAB”A”B 物镜图 153设计过程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 =1.5um（1） 计算物镜的数值孔径根据式 ， 取 550nm，则 NA=0.0661.0
5、NA（2） 分配物镜和目镜的放大率根据数值孔径 NA=0.06，可选择 =3x 物镜，则目镜的放大率 4x 由于 12x 的惠更斯目镜跟平场目镜相比较，平场目镜的视场较大，象质较好，所以我选择了 12.5x 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距 和1f236.37mm20.02mm（4） 计算显微镜的总焦距 f20.81mm（5） 计算目镜的线视场。6（6） 计算物镜的线视场 2y32 光路设计321 物镜的设计表 3.1. 图 3.1图 3.1 为本次实验的物镜的二维图，我采用的是正向光路，优化以后，各镜头参数如表3.1 所示。点列图7图 3.23.2.2 棱
6、镜的设计直角棱镜如图 3.4 所示，其通光口径 D 与其展开成平行平板的厚度 D1 不相等，即D=1.732*D1，我把棱镜与物镜组合到一起进行了优化。在分析棱镜的时候棱镜相当于一个等效的空气层，对于整个系统主要起象移的作用，当然对象质也会有影响，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确的计算，是在 ZEMAX 软件上分析得到的，原则是让所有的光线通过，所以我选择了稍大的口径，使光线完全通过并有一定的余地。表 3.283.2.3 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，所以目镜的输入我采用的是反向光路。优化过后的
7、参数如表 3.4 所示：3.2.4 组合光路由于设计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影响系统的有效焦距，故不能对目镜等比例缩放，否则会影响其放大倍率，而对于物镜，有效焦距虽然改变了，但是物镜的放大率却不受影响，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，采用的是反向光路。由于我所设计的物镜与目镜不能完全匹配，透过目镜的光大部分都不能进入物镜，所以我在目镜的焦面处加了一场镜，以会聚光束，并适当改变了物镜的口径，使目镜的光大部分能通过物镜。系统拼接好后，由于我设计的是用于观察的显微镜，故没有用分划板，所以我又进
8、行了整体性的优化，采用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 3.5 所示：9点列图组合后的二维图10系统的参数如表 3.6 所示：表 3.62D 草图113D 草图12我在设计目镜的时候，在距最后一面镜片 10mm 处加了一光阑，该光阑作为组合系统的入瞳（即为显微镜的出瞳） ，因此出瞳距为 0。有效焦距为-2.08334，利用目视系统的放大率公式 T=250/20.3391=12.19x，与要求的 12x 误差非常小，可以忽略不计；物面到出瞳的距离 L=238.99980mm，与要求的距离 240mm 误差也非常小。4优缺点及改进措施设计总体上是符合用户要求的，转
9、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。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。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。5设计总结通过这次的实践，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。参考文献1 应用光学 ，2008，电子工业出版社2 刘钧、高明， 光学设计 ，西安电子科技大学出版社，西安，20063 光学仪器设计手册 ，国防科技出版社，北京，19714 光学设计软件 ZEMAX5 张以谟，应用光学，机械工业出版社，北京，19826 王之江，实用光学技术手册，机械工业出版城，2006
