zemax设计显微镜

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长工作距变焦显微系统物镜设计

长工作距变焦显微系统物镜设计
激光内雕机在进行激光内雕时,经常会存在激光“炸点”不均匀的情况,需要对其进行放大分析,从而更好地控制激光束的能量。

本文根据企业激光内雕“炸点”观察需求,设计了一款长工作距变焦显微物镜。

玻璃内部的“炸点”观察范围为9mm~32mm,系统采用光学变焦方式,分辨率小于5μm,变焦范围为6mm~24mm,放大倍率为4~×~16~×,变倍比为4倍。

探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2英寸CCD,其像元大小为5.5μm。

利用Zemax进行光学系统设计优化,在截止频率91lp/mm处,各组态下各视场的MTF值均大于0.4,在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。

点列图的RMS 半径也均小于艾里斑半径,满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。

长工作距变焦显微系统在变焦显微镜的基础上增加了工作距较长的优点。

因此,如何设计一款具有长工作距离的变焦显微系统成了一个研究的重要方向。

本文完成的长工作距变焦显微物镜设计主要为:首先对变焦光学系统的国内外研究现状进行介绍;其次对激光“炸点”观测的工作原理进行了阐述;然后对变焦光学系统原理及其补偿方式介绍;根据设计参数指标选取了合适的长工作距变焦显微系统的初始结构并对其进行优化设计;最后进行了长工作距变焦显微系统的像差分析、公差分析以及机械结构设计。

基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计

ＣＣＤ匹配。利用ＭＡＴＬＡＢ对变倍组和补偿组的运动轨迹进行拟合，验证了其可行性，结果表
明整个连续变倍显微物镜满足ｉｆ＿业视频检测的使用要求。
关键词：连续变倍显微物镜；Ｚｅｍａｘ；ＭＡＴＬＡＢ
中图分类号：Ｏ４３９文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５ — ５６３０．２０１３．０５．０１０
Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｍｏｎｏｃｕｌａｒｚｏｏｍｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｎ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｚｏｏｍｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｓ
ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌｏｆｔｈｅｚｏｏｍｇｒｏｕｐａｎｄ
第３５卷第５期２０１３年１０月
光
学
仪
器
Ｖｏｌ＿３５，Ｎｏ．５
Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１３

Zemax光学设计实例汇总

光学系统结构优化
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
Load
Reset
Ok
即可，实际上此dialog box 中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方法之一。
光学系统结构优化
可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function, 这就要在 Oper# 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规定了一批Operand，所用符号如： • First-order ：焦距EFFL，像高PIMH，… • Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC，… 另外还有各种边界条件Operand。也可以将MTF值或Encircled energy作为Merit Function，原则上这与实际使用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优化的开始是不可取的。
这里玻璃组合为BK7/SF5，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
优化实例（2）：优化结果
优化实例（3）
非球面单透镜
f’=60， 1：1， ±1°
用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系统。
rd 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100
rd 13 1.5 16.7 8.6 Bk7 85

显微镜物镜设计

显微物镜的设计报告
一．镜头数据输入：
打开ZEMAX，新建文件，打开Lens编辑器，输入相应数据。

二.视场设置：根据设计要求视场设置如下
三.波长设置：波长一般选取F、D、C三色光
四.孔径设置：由设计要求可知，数值孔径NA=0.4，相应的相仿孔径角u’=-0.016
五.像差分析：layout图和场曲、轴向球差图如下，以及各个面七个赛的和数。

孔径光阑位于第一面，造成了系统的失衡。

将光阑面第四面后，并适当增加间隔。

六.优化:
改变r1,r4同时r2，r3保证光焦度不变。

设置优化变量
设置优化编辑器
设置优化操作数，设置优化权重，并执行优化。

基于ZAMX仿真的显微物镜设计方法

第24期2019年8月No.24August ，2019基于ZAMX 仿真的显微物镜设计方法江苏科技信息Jiangsu Science &Technology Information张云哲，张旭，钟晓康，韩飞宇（西安文理学院，陕西西安710065）基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目；项目名称：基于光场调控的光子带隙多波混频理论与实验研究；项目编号：18JK1154。

西安市科技计划项目；项目名称：基于铷原子参量放大涡旋光全光开关的研究；项目编号：2017CGWL07。

作者简介：张云哲（1982—），男，陕西西安人，讲师，博士；研究方向：光电子方向。

摘要：文章应用ZEMAX 光学软件，设计符合目标要求的显微镜物镜光学系统。

首要计算光学系统的初始结构参数，在此基础上进行数据微调；其次在该初始结构参数之下，进行像质分析，比如光线扇形图（Ray Fan ）、点列图（Spot Diagram ）、光学传递函数（MTF ），分析出来的图形好坏决定了是否要继续对光路系统进行优化；再次就是光路仿真图的优化过程，在反复的优化过程中，判断该光路系统是否满足设计要求，能够消除球差、轴向色差以及正弧差。

经过外形尺寸计算和ZEMAX 仿真，达到了显微镜的设计参数要求并且像差合理。

关键词：显微物镜；ZEMAX ；光学系统中图分类号：O439文献标志码：A 1国内外发展现状显微镜的发明是在17世纪晚期，发明这台显微镜的是荷兰发明家列文虎克，以至于后来人们尊称他为“显微镜先驱人物”。

随着显微镜的诞生［1］，人们在18世纪又发明了复式显微镜，简单的理解这类显微镜利用的显微镜的镜片数目超过一个，因而，这种复式显微镜一个镜片下的图像可以接着被另一个镜片放大，更便于人们观察。

在显微镜发明初期，由于使用的玻璃的质量，镜片的形状存在很多的瑕疵，导致人们在显微镜中看到的物体形状是不规范的、比较弯曲的。

一直到19世纪中期，显微镜技术才得到了飞跃性的提升，并且逐渐有了现代显微镜应该具备的特性［1-3］。

光学设计实验报告范例

实验报告题目：光学显微镜系统设计实验一、实验目的1. 理解光学系统设计的基本步骤和原理。

2. 学会运用光学设计软件进行光学系统设计。

3. 熟悉光学元件的选用和光学系统的优化方法。

4. 掌握光学系统性能参数的评估和调整技巧。

二、实验器材1. 光学设计软件：ZEMAX2. 相关实验指导书3. 光学元件：物镜、目镜、分划板、斯米特屋脊棱镜等4. 光具座：二维滑块支架、一维滑块支架5. 待测物体三、实验原理光学显微镜系统主要由物镜、目镜、分划板、斯米特屋脊棱镜等光学元件组成。

实验中，我们通过ZEMAX软件进行光学系统设计，实现物镜对物体的放大成像，并通过目镜观察放大后的图像。

四、实验步骤1. 设计说明书和镜头文件：根据实验要求，设计说明书和镜头文件应包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。

2. 部分技术参数选择：目镜放大率为10倍，目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离为280毫米，对工件实边缘的对准精度为2.2微米。

其他参数根据实验要求自定。

3. 系统结构设计思路：a. 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。

b. 棱镜选择：采用斯米特屋脊棱镜，使系统成正像，并且使光路转折45角，以便于观察和瞄准。

c. 物镜系统设计：采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上，避免景深影响瞄准精度。

4. 光学元件选用和优化：a. 物镜：选择焦距适中、成像质量高的物镜。

b. 目镜：选择放大倍数合适、视场较大的目镜。

c. 斯米特屋脊棱镜：选择折射率适中、夹角较小的斯米特屋脊棱镜。

d. 光学系统优化：通过ZEMAX软件对光学系统进行优化，使系统性能达到最佳。

5. 性能参数评估和调整：a. 评估系统性能参数，如放大率、视场、分辨力等。

b. 根据评估结果，对光学元件进行适当调整，提高系统性能。

五、实验结果与分析1. 设计的显微镜系统放大倍数为100倍，视场为5毫米，分辨力为0.2微米。

ZEMAX光学设计讲义

ZEMAX光学设计讲义导言：光学设计是一门重要的工程学科，它主要研究光学系统的设计、分析和优化。

而ZEMAX是光学设计中常用的一种软件工具，它主要用于模拟和优化光学系统的性能。

本篇讲义将介绍ZEMAX的基本原理、使用方法以及一些常见的光学设计案例。

一、ZEMAX的基本原理1.光线追迹ZEMAX的核心原理是光线追迹。

它通过追踪光线在光学系统中的传播路径，并计算出光线经过每个光学元件后的参数变化，如位置、方向、光强等。

通过光线追踪，可以得到光学系统的传输特性，并进行光学系统的性能优化。

2.光学元件建模为了进行光线追踪，需要对光学元件进行建模。

在ZEMAX中，可以通过输入光学元件的参数来进行建模，如曲率半径、折射率、厚度等。

同时，ZEMAX还提供了一套丰富的光学元件库，包括透镜、棱镜、光阑等。

用户可以根据需要选择相应的光学元件进行系统设计。

3.光学系统优化ZEMAX不仅可以进行光学系统的传输特性计算，还可以进行系统的性能优化。

在ZEMAX中，可以设定一系列的优化目标，并通过调整光学系统的参数来达到这些目标。

优化过程主要包括两个阶段，即初始设计和优化迭代。

在初始设计阶段，需要根据设计要求设置光学系统的初值。

在优化迭代阶段，ZEMAX根据预设的优化目标和约束条件，自动调整光学系统的参数，并不断迭代，直到达到最佳设计。

二、ZEMAX的使用方法1.软件安装与启动2.创建新项目在ZEMAX中，每个光学系统都是一个项目。

创建新项目时，需要设定项目的名字和工作目录。

在新建项目后，可以开始进行光学系统的设计。

3.设计光学系统设计光学系统的过程是通过将光学元件拖拽至光学系统的视图中来完成的。

光学元件可以是来自库中的标准元件，也可以根据实际情况进行自定义。

在拖拽元件至视图中后，可以通过双击元件来设置其具体参数。

4.进行光线追踪设计完成后，可以进行光线追踪。

在ZEMAX中，可以选择单个或多个光线进行追踪，并观察光线的传播路径和参数变化。

望远镜、显微镜组装与设计和zemax使用光学课程设计教材

长沙学院光学工程CAD设计课程设计说明书题目光学课程设计系（部）电子与电气工程系专业（班级）光电信息工程（2013级2班）姓名学号指导教师孙利平、周远、谭志光、刘莉起止日期2015622 —2013625长沙学院课程设计鉴定表目录一、望远镜的设计与组装 (3)1、项目设计目的 (3)2、望远镜的基本原理 (3)3、设计任务 (4)设计与组装一个开普勒望远镜 (4)设计与组装一个伽利略望远镜 (4)设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜 (4)4、数据记录 (4)（1）测得透镜焦距 (4)（2）开普勒望远镜的组装 (4)（3）开普勒望远镜特性参数测量 (4)5、照片展示 (5)6、可用器材 (5)二、显微镜的设计与组装 (6)1、项目设计目的 (6)2、望远镜的基本原理 (6)3、显微镜的设计及数据记录 (7)①............................................................................................................................................. 视放大率 (7)②............................................................................................................................................. 系统总长度不能大于光学平台的长度 (7)③............................................................................................................................................. 要给出设计值和实测值 (7)④............................................................................................................................................. 用手机拍一幅从目镜后拍出的微尺放大图 (7)4、设计思路 (8)5、可用器材 (8)三、Zemax的光学设计 (8)1、选定光学设计题目 (8)2、学习zemax的使用 (8)3、使用 zemax软件设计光学器件 (10)①设计单透镜 (10)②设计牛顿望远镜 (1)2③设计施密特 ---卡塞格林系统 (14)结束语 (16)参考文献 (16)、望远镜的设计与组装 1、项目设计目的掌握望远镜的原理及特性，并在此基础上通过自组望远镜来提高学生的动手能力以进一步加深对望远系统的理解。

基于ZEMAX的10倍显微物镜设计

I
南通大学课程设计论文
参考文献.....................................................................................................................................22
我们目前的基础知识以及掌握的数学技巧并不够专业我们必须多多交流与很多在这方面有建树的高人和光学设计人员虚心学习努力创新多加练习熟能生巧业精于通过自己切身在这门课程的学习进一步对光学设计这门课的博大精深产生敬仰之情南通大学课程设计论文21而且对课程内容安排衔接主次分明清晰透彻教学方式采取理论设计及实际软件演示使用并且结合软件分析讲解了很多典型的光学系统感到这门课程安排的恰到好处更好的为我们从初出茅庐的几何光学基础知识初级阶段到比较专业性的设计光学系统铺平了一跳初窥门径的道路
1.2 物镜的基本类型
(1)按显微镜镜筒长度(以 mm 计)：透射光用 160 镜筒，带 0.17mm 厚或更厚的盖玻片；反射光用 190 镜筒，不带盖玻片；透射光与反射光用镜筒，筒长无限大。 (2)按浸法特征：非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 (3)按光学装置：透射式、反射式以及折反射式。 (4)按数值孔径和放大倍数：低倍(NA≤0.2 与β≤10X)，中倍(NA≤0.65 与β≤40X)，高倍(NA＞0.65 与β＞40X)。 (5)按校正象差的情况不同，通常分为复消色差物镜，平视场消色差物镜，平视场复消色差物镜和单色物镜。根据其像差校正的程度进行分类，分为： 1．消色差物镜: 这是常见的物镜，外壳上常有"Ach"字样，这类物镜仅能校正轴上点
第二章物镜设计与相关参数............................................................................................... 5

Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例

Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例技术指标：设计一个中等倍率显微镜的照明系统。

显微镜的技术规格如下所述：放大倍率：10NA：0.2（CCD对角的1/2）无限远校正系统（infinity corrected ）: 12mm成像镜头焦点距离：200mm工作距离：45mm使用的光源：2mm NA=0.25设计仿真：1.显微物镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并按设计要求输入“8.0”：在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：然后利用Hammer优化进行玻璃替代来决定玻璃材质。

Hammer优化后的LDE：此时，点列图为：查看波前差，可以看到在全视场内都在衍射极限之内。

2.目镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并按设计要求输入“8.0”：3.在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：3.显微物镜与目镜的续接先物镜进行翻转，可以使用“Reverse Element”工具来进行翻转。

首先，将孔径类型修改为“Float ByStop Size”。

然后，即使原本的系统没有光瞳像差，翻转后的新系统也可能有光瞳像差。

所以，我们需要打开近轴光线瞄准。

我们可以在光线瞄准 (Ray Aiming) 中选择近轴 (Paraxial) 实现这一步操作。

第三，为了防止翻转后系统尺寸发生改变，我们把每个面的半径值锁定住。

第四，根据原系统点列图上的数值来更改视场类型与数值。

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• 关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统
2物镜设计方案
• 25×显微镜物镜属于中倍显微物镜，通常由两个分离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6× 至30×之间，数值孔径NA为0.2至0.6之间。
• 由于显微物镜倍率较高，像距远大于物距，显微物镜的设计通常采用逆光路方式，即把像方的量当做物方的量来处理。
• 瑞利（Rayleigh）提出一个推测（又称瑞利准则）：认为当A1′衍射花样的第一极小值正好落在A2′衍射花样的极大值时，A1、A2
是可以分辨的，将此时定出的两物点距离 A1、A2作为光学统的分辨极限。θ0称为极限分辨角。不言而喻，当θ＞θ0时是完全可分辨的，θ＜θ0时是不可分辨的。
• 由圆孔衍射理论得到：θ0=1.22λ / D
• 本次课设主要是应用ZEMAX光学设计软件，设计出25×显微镜物镜光学系统。经过计算机优化— 系统分析—微调参数—改变参数变量—再次进行优化反复过程之后，设计出了能够很好的消除系统像差的物镜和整个光学系统，使得成像光斑达到了衍射极限。分析和评价模拟结果的点列图、波像均方差、波前均方差、光学传递函数等参数，设计出符合设计要求的显微物镜。
•
式中λ──入射光波长；
•
D──入射光的最大允许孔径（透镜直
径）。
•
因为θ0很小，所以由图2-4得：
•
d′≈θ0=1.22λS / D
•
物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件
的，即
•
ndsinu=n′d′sinu′
• 式中n和n′为物、象所在空间的折射率，成象总是在空气介质中，故n′=1；u和u′分别为光线在物、象空间共轭点上的孔径角；d 和d′分别为物点、象点中心斑的间距。
• 里斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的原则通常是使每个双胶合透镜产生的偏角相等或者是后组的偏角略大于前组。里斯特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜上。
• 当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时，两个双胶合透镜的间隔大致和物镜的总焦距相等。第一个双胶合的焦距约为物镜焦距的二倍。第二个双胶合的焦距大致和物镜的总焦距相等。
• d.m=0.15~0.30 •。
• M=0.15~0.30/d=(0.15~0.30)(N.A.)/0.5λ=0. 3~0.6N.A./λ
• 此时的放大倍数即为物镜的有效放大倍数，通常以M有效表示。因此
• M有效=0.3～0.6N.A./λ
• 物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使被检物体第一次成象,因而直接关系和影响成象的质量和各项光学技术参数,是衡量一台显微镜质量的首要标准。
• 物镜的结构复杂,制作精密,由于对象差的校正,金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成.物镜有许多具体的要求,如合轴,齐焦.
•
• 现代显微物镜已达到高度完善,其数值孔径已接近极限,视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微.但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成象质量的可能性仍然存在,这种研究工作,至今仍在进行
• （b）增加物镜与观察之间的折射率n。是介质对物镜数值孔径影响示意图。当光线沿光轴方向射向观察物时，自物体S处发出的反射光除沿SO方向反射外，尚有（S1 S1′）（S2，S2′）等衍射光。
• （a）是以空气为介质（又称干系物镜）的情况，只有（S1 S1′）内的衍射光可以通过物镜，（S1 S1′）以外的衍射光如（S2， S2′）均不能通过物镜。
• 数值孔径通常以符号“N.A.”表示（即 Numerical Aperture）。根据理论的推导得出：
• N.A.=n.sinu
• 式中 n──物镜与观察之间介质的折射率；
•
u──物镜的孔径半角
• 因此，有两个提高数值孔径的途径：
• （a）增大透镜的直径或减少物镜的焦距，以增大孔径半角u。此法因导致象差增大及制造困难，实际上sinu的最大值只能达到 0.95
• 考虑到显微镜中入射光并非都是平行光，有倾斜光线，对上式系数作适当的修正，所以式中nsinu就是物镜的数值孔径，因此，上式或者写：d=0.5λ/N.A
• 因此表明：物镜的数值孔径愈大，入射光的波长愈短，则物镜的分辨能力愈高。在可见光中，观察时常用黄绿光（λ ≈440nm），则可使分辨能力提高25%左右。
• 要明白鉴别率可以有一定的限度，这就要用光通过透镜后产生衍射现象来解释。
• 物体通过光学仪器成象时，每一物点对应有一象点，但由于光的衍射，物点的象不再是一个几何点，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的两个物点所成的象一两个亮斑如果互相重叠，则导致这两个物点分辨不清，从而限制了光学系统的分辨本领一分辨率。显然，象面上衍射图象中央亮斑半径愈大，系统的分辨本领愈小。
用时所对应的物镜的放大倍数，称为物镜的有效放大倍数。有效放大倍数可由以下关系推出：人眼在明视距离（250mm)处的分辨能力为 0.15～0.30，因此，需将物镜鉴别的距离d 经显微镜放大后成0.15～0.30mm方能被人眼分辨。若以M表示物镜的放大倍数，则
• 物镜的像差校正方式采取两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差，这种方案的优点是：二个双胶合透镜组合在一起则为一个中倍物镜，移去一个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用。
25×显微镜物镜设计方案图
3物镜设计参数及镜片选择 3.1物镜的数值孔径
• 物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，增强物镜的聚光能力可提高物镜的鉴别率。
• （b）是物镜与观察之间以松柏油或其它油为介质（又称油浸物镜）时，由于折射率n 增加，使衍射光的角度变狭，致使（S2， S2′）甚至（S3，S′3）内的衍射光均可通过物镜。因而使物镜通过尽可能多的衍射光束，利于鉴别组织细节。
3.2物镜的鉴别率
• 物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示。d愈小，表示物镜的鉴别率愈高。