基于Zemax的光学显微镜设计

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：

目录

1.显微镜成像原理与设计思路 (3)

1.1显微镜成像原理 (3)

1.2设计思路 (4)

2.设计步骤 (4)

3.设计过程 (5)

3.1外形尺寸的计算 (5)

3.2光路设计 (6)

3.2.1物镜的设计 (6)

3.2.2棱镜的设计 (7)

3.2.3目镜的设计 (8)

3.2.4组合光路 (8)

4. 优缺点及改进措施 (12)

5. 设计总结 (12)

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。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）。

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A ＇B ＇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

B ’

A ’

A

B ” A ”

B

物镜

图1

3．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σ=1.5um （1） 计算物镜的数值孔径

根据式σ

λ

61.0=

NA ，λ取550nm ，则NA=0.06

（2） 分配物镜和目镜的放大率

根据数值孔径NA=0.06，可选择β=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'

1f 和'2f

36.37mm

20.02mm （4） 计算显微镜的总焦距f

20.81mm

（5） 计算目镜的线视场。

（6）计算物镜的线视场2y

3．2光路设计

3．2．1 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

图3.2

3.2.2棱镜的设计

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3.2

3.2.3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：

点列图

组合后的二维图

系统的参数如表3.6所示：

表3.6

2D草图

3D 草图

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，2006

[3] 《光学仪器设计手册》，国防科技出版社，北京，1971

[4] 光学设计软件ZEMAX

[5] 张以谟，应用光学，机械工业出版社，北京，1982

[6] 王之江，实用光学技术手册，机械工业出版城，2006