设计题目：测量显微镜光学系统
专业班级：光信息08-1班
学生姓名：
学号：
指导老师：
一实验目的
1. 了解光学系统设计的基本步骤，学会基本外形尺寸的计算。
2. 熟悉ZEMAX软件的操作，了解操作要领，学会应用基本的相差评价函数并进行优化。 二、实验器材
氮化硅结合碳化硅制品ZEMAX软件、相关实验指导书
三、设计要求
1）设计说明书和镜头文件。镜头文件包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。 2）部分技术参数选择：
①目镜放大率10
②沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离280毫米
③对工件实边缘的对准精度为2.2微米
④其它参数自定
3）其他要求
①视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。
②可以不加棱镜。如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理。
③可以对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。
④可以加上CCD。
四、具体设计
1.系统结构设计思路
1)系统结构框图
物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45°角，以便于观察和瞄准（此处可以不加设计）。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。
（图1 显微镜系统结构图）
2)等效光路原理图
（图2 显微镜无光轴偏转的等效光路图）
2.外形尺寸计算
1)首先绘出光学系统的等效光路原理图。如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。
2)求实际放大率。系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率
由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为
3)求数值孔径
4)求物镜和目镜的放大率
目镜的放大率
物镜的放大率
5)求目镜的焦距
6)求视场光阑（分划板）的直径D，考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径
7)求物方线视场的大小
8)求共轭距(存在等效空气平板)
且有
9)求物镜的焦距
由高斯公式
10)求物镜的通光口径D物和孔径光阑直径D孔
11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸(此次不设计)
3.光学部件的结构形式
1）显微镜物镜的光学性能参数
主要性能参数是：数值孔径，垂轴放大率，视场。
（图3 显微物镜）
可选取低倍物镜 (3-6倍)，如上图所示
2)显微镜目镜的光学性能参数
像方视场角,焦距,出瞳距，工作距离
（图4 显微目镜）
选取对称式目镜，如上图所示
4．光学系统的拼接和优化
1）物镜设计及优化
①在物镜库中选取符合3倍放大率，焦距在47mm左右的镜头，输入参数，经过优化后物镜成品参数图如图5所示
（图5 显微物镜参数）
（备注：由于优化过程复杂，物镜的焦距有变化，但可以保证放大率）
②在像方焦点处设置孔径光阑，并由NA=0.102限制。设置物高为±2mm，取2条权重均为1的特殊光线，光路图如图6所示，物镜共轭距为255mm左右，基本满足设计要求。
（备注：最后在合成时为了使系统成像更加清晰，优化后系统共轭距为243.05033mm，焦距为45.62139mm） （图6 显微物镜光路图）
（图7 显微镜物镜数据）
③设置评价函数为默认类型，并限制PMAG放大率为为-3，物镜部分性能函数如图8图9，可见物镜成像较为会聚满足设计要求
（图8 物镜标准点列图）
(图9 物镜MTF传递函数)
2）目镜设计（暂时不优化）灭火器标签
①从目镜库中选择10倍放大率的目镜，因目镜成像于无穷远处，为便于分析成像质量，在目镜后添加一块理想透镜对目镜的像进行会聚，参数和光路图如图10图11所示
（图10 显微目镜参数）清理河道淤泥设备
（图11 显微目镜光路图）
②目镜的数据如图12，等效焦距约为25mm
钢管扩口机
(图12 显微目镜数据)
③目镜成像分析
贝克曼梁法
从光路图中可看出目镜对近轴光线放大后成像效果较好，而对离光轴较远处的光线成像不好，表现在出射光不平行
目镜点列图如图13，物点对于两条远轴光线成像为像斑，成像较差，目镜不做优化，只对组合后显微镜整体优化
（图13 显微目镜点列图）
3）显微镜组合及优化
①选择将目镜拼接至物镜的方法，并适当修改分划板到目镜的距离使系统长度在260mm，并优化理想透镜的物距使成像为一点，优化后参数及光路图如图14图16所示，成像细节如图15所示
（图14 显微镜优化后参数）
（图15 显微镜成像细节）
从成像细节上不难看出出射光线基本满足平行光，且较好地汇聚在了像屏上
（图16 显微镜光路图）
②显微镜系统数据(仅从目镜最后一面到物面沿光轴的部分)如图18所示，从目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离为280mm，与要求相比误差极小，系统有效焦距为-8.443476mm，对应放大率是-29.608，基本上符合-30倍的总放大率要求
（图17 显微镜结构数据）
（图18 显微镜整体光路及长度）
③显微镜成像分析
宝石饰品
(图19 显微镜成像点列图)
（图20 显微镜成像光线像差扇形图）
（图21 显微镜几何像分析）
（图22 显微镜MTF传递函数）
从图19-图22可看出显微镜成像虽不是太均匀，但是较为集中，且画面失真较小，衍射现象不是太明显，满足应用需求
四、结果评价
1）分划板可以考虑做得再小些，太大的物高造成实际透镜入瞳要高
于理论值，否则边缘光线丢失。当将分划板直径减小至12mm时，物高理论值为2mm。
2）此次设计没有考虑到显微镜的可换性，即对组合后的显微镜进行了整体优化。对于商用显微镜，应分别对物镜及目镜优化，组合以后不再优化，以便商用显微镜进行物镜目镜的更换，改变倍率
3）棱镜的添加：棱镜和玻璃平行平板对像质影响相同，故可用玻璃平板表示棱镜，玻璃平行平板厚度=通光口径K，其中K值由棱镜类型确定，棱镜的选取视偏转角度，用户需求等而定
4）分划板应当做成场镜的形式，不用理想平面表示分划板，而是将分划板做成透镜形式，其中一面的曲率为无穷，另一面曲率改变到使渐晕为50%到70%，这样能将边缘光束向中心收拢
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