40倍显微物镜光学系统设计.doc

1、 目 录 摘要 . I ABSTRACT . I 第一章 绪论 .II 1.1 显微镜国内外发展情况 . 1 1.2 ZEMAX 简介及原理 . 1 第二章 物镜设计方案 . 3 2.1 物镜的种类 . 2 2.2 高倍物镜的设计方案 . 9 第三章 物镜设计参数及镜片选择 . 10 3.1 物镜的数值孔径 . 10 3.2 物镜的鉴别率 . 11 3.3 物镜的有效放大倍数 . 11 3.4 垂直鉴别率 . 12 3.5 显微镜的视场 . 12 3.6 显微镜物镜设计中应校正的像差 . 13 3.7 实际参数确定 . 13 第四章 40显微镜物镜光学系统仿真过程 . 121 4.1 选择初始

2、结构并设置参数 . 121 4.2 自动优化 . 121 4.3 物镜的光线像差 (RAY ABERRATION)分析 . 123 4.4 物镜的波像均方差 (OPD)分析 . 18 4.5 物镜的光学传递函数 (MTF)分析 . 123 4.6 最终仿真参数分析 . 24 第五章 心得体会 . 21 第六章 参考文献 . 21 I 摘要 物镜是 显微镜 的结构组成中 最 为 重要的光学 元器件之一 ,它的原理则是 利用光 的折射成像原理， 使被检 测得 物体 通过光迹被物镜折射成像再传入人眼中 ,所以如何衡量一台显微镜质量的好坏，物镜的 各项光学技术参数 就成为了最为直接和影响成像质量的最重

3、要的标准。 物镜筒内 是 由 分开 一 段 距离并被固定 的 ，一组或多组胶合 透镜组 组装 而成 ，目的是为了 对像差和对像差公差 的校正。 物镜有许多具体的要求 ,比 如 透镜组的 合轴 或 齐焦 ，因此物镜的结构极为复杂，需要具备精密的制作工艺。由于现代物镜的数值孔径（研究物镜的非常重要的一个参考数据）已经接近极限，物镜成像的视场中心的分辨率与研究的理论值几乎没有出入，也就意味着现代显微物镜已经达到了高度完善的地步，因此视场边缘的细致化与视场的增大化就成为我们现如今的研究工作。本次课设主要目的是设计出一个40 显微镜物镜光学系统。为了设计出相对完整的物镜光学系统， 使得成像光斑（也就是误

4、差 ）达到衍射极限，并能够完美的解决系统像差， 主要的应用 光学设计软件 是 ZEMAX，随后我们会详细介绍 ZEMAX 的发展历史和功能。设计显微物镜光学系统的过程就是个反复优化的过程，需要先经过计算机初步优化，系统分析，计算机调整参数，更改参数变量，再次进行优化，最终靠分析波前均方差和波像均方差等重要参数，评价模拟结果的点列图，设计出符合要求的显微物镜 关键词：显微物镜； ZEMAX；优化；光学系统 Abstract The most important objective is microscope optical components, use light was the first

5、object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard. The structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and

6、 fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis. Modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscop

7、e objectives. The view and improve the quality of imaging edge view, II this study is still possible, still in the works. This class is mainly applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysis - fine-tuning pa

8、rameters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric optics system, make whole disk image reached diffraction limit. The simulated results of analysis and evaluation, point a wave of variance, the mean squ

9、are error, optical transmission function parameters, designed comply with the design requirements of the microscope objectives. Keywords: microscope objectives, ZEMAX, Optimization, Optical systems.1 1 绪论 光学作为物理学中的一个最为重要的分支，在我们的生产与生活中得到了相当广泛的应用。光学设计经过 140 年的发展，其本质并未改变。无论工具再先进，也只能使设计者在设计过程中获得更多方便而已。光

10、学设计是选择和安排光学系统的材料、曲率和间隔，使得系统的成像性能符合应用要求。 Philippvon Seidel(1821-1896)对像差理论的统一，可以作为光学设计这门学科初步成型的标志。光学设计作为光学仪器的基础，除了调整结构以满足光束传输要求，还需要对其中存在的问题进行分析。在近 60 年的研究与发展过程中，光学 经历了由人工计算设计到计算机软件自动模拟仿真设计的过程，实现了由人工计算像差、修改参数，到使用电脑与软件计算参数的技术飞跃，使设计者能更快速、更高效的设计出优质且经济的光学系统设计。在本次设计中，采用了 ZEMAX 软件进行高倍显微物镜的设计和研究，最终给出符合设计与研究要

11、求的设计结果。 1.1 国内外发展情况 在我国，制造显微镜要追溯到抗战时期了，距今也有近 80 年的历史。现在，国内显微镜的产出总额大约 2.5 亿美元左右，在世界显微镜市场中，我国在中、低端显微镜领域占有相当的比重。显微镜的制造与研发是专业性很强的 ，其主要核心部件就是物镜。目前，在国内的光学显微镜物镜市场中，大型的高档的显微镜市场都被德国的公司 Leica 占有，其余主要是由国内的光学仪器生产厂家所控制。 1.2 物镜光学设计的基础数据类型及研究方向 我们为了设计我们要研究的光学系统的原理图，就必须要先确定物镜的基本光学特性，使其满足原理图中给点的要求。而首要的目标就是要先确定物镜的放大倍

12、率、线视场，光阑位置；随后再通过公式计算数值孔径、共轭距、后工作距等参数；最终确定外形尺寸。显微物镜的光学设计，其实就是对物镜进行一个消像差的过程。像差的种类有以下几种 ，五种单色光像差有：球差、彗差、像散、场曲和畸变；两种复色像差：轴向复色差和垂轴复色差。 2 2 ZEMAX 简介及原理 ZEMAX 是应用最为广泛的一款全能性的镜片设计与仿真软件。这款软件集成了包含光学系统的建模、光线的追迹计算、像差的分析、优化、公差分析等许多功能，并且通过其直观的用户使用界面，为设计人员提供了一款极为方便快捷的学习与应用工具。许多年来，ZEMAX 的工作人员每年都致力于对软件进行革新和改进，并赋予 ZEM

13、AX 更为强大的功能和更为简单的操作流程，因而被广泛应用在物镜的设计、光纤传播、激光照明和其他光 学科技技术领域中。 ZEMAX 通过序列和反序列着两种追迹模式来模拟光的折射、反射和衍射。 序列追迹模式主要是用于传统的光学成像系统的设计和研发，如我们熟知的照相机的照相系统、望远镜的望远系统、显微镜的显微系统等等。在该模式中， ZEMAX 是以面为模拟光学系统的原型与基础，每一层表面的位置都靠该表面以参考前一个面坐标为对象来确定的。光线从设计的物平面开始，按照表面的前后顺序进行追迹，而且追迹速度很惊人。许多复杂的系统则需采用第二种模式 -非序列模式来进行光线的追迹与光学系统的建模，如照明系统、棱

14、镜系统、导光 管、微反射镜和非成像系统或复杂形状的物体等。在该模式中， ZEMAX 以物体作为研究目标，将光线按照系统给定的物理规则入射到模型中，并且程序沿着程序给定的光路的进行追迹模拟。非序列模式可按任意方向和角度将光入射到任意一组模拟的物体上，当然也可以以同一角度多次入射到相同的物体上，直到入射光线被模拟的物体彻底阻拦无法穿透为止。非序列模式与序列模式相比有优点也有缺点，非序列模式的光线追迹能够对光线的传播和模拟进行更为细节的分析和研究，相比之下序列模式的光线追迹则相对较弱；但此模式也有一个相对难以逾越的瓶颈，也就是由于 非序列模式要分析的光线很多，计算路径较长，计算频率较大，所以计算速度

15、较慢。在科学的模拟和研究中总是相互协作相互利用的，在设计一些较为复杂的光学系统中，可并用序列模式以及非序列模式的光线追迹。并且根据需要， ZEMAX 也可以将任意方向、位置或形状的非序列组件和序列光学组件进行结合以达成某些难度较大的光学表面的研究工作，共同形成一个光学系统结构。 2.1 用 ZEMAX 软件设计系统的基本过程 用 ZEMAX 软件进行物镜（或系统）设计的流程如图 2.1所示。 3 图 2.1 光学设计过程框图 3 物镜的种类及高倍物镜的设计 方案 3.1 物镜的种类 根据物镜校正原理的不同，显微镜物镜通常分为以下几种物镜：消色差物镜类，包括消色差物镜和复消色差物镜、以及平像场物

16、镜和消色差物镜的综合平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。 一 消色差物镜 消色差物镜是一种结构简单明了应用最为广泛的显微镜物镜。消色差物镜的设计只需要校正镜片的球差、正弦差和一般的单色光像差，而不校正复色像差，所以被称为消色差物镜。而这类物镜的分类，则根据它的放大倍率和物镜的数值孔径的不同分为低、中、高倍和浸液消色差物镜。 1 低倍消色差物镜 这类物镜一般应用于放大 倍率低（放大倍率大约为 43 ）、数值孔径小（数值孔径大约在 1.0 左右）、视场小的场合（对应的相对孔径大约为 41 左右）。由于相对孔径不大，视场比较小，所以低倍物镜的设计只要求校正球差、慧差和轴向色差。求解的关键是则是选择

17、合适的玻璃组合，以便能同时校正这三种色像差。因此结构最为简单双胶合透镜就成为低倍消色差物镜光学设计的首选物镜。而这款显微镜物镜的设计方法与双胶合望远镜的物镜的设计方法十分类 似，这里就不再赘述；唯一不同的地方在于，物体成像的位置并不在理论上的无限远处，而是位于有限距离。 4 2 中倍消色差物镜 中倍消色差物镜又被称为李斯特物镜，它的的倍率大约为 128 ，数值孔径约为3.02.0 。最常用的李斯特物镜的数值是：数值孔径 25.0NA ，倍率 10 。 由于李斯特物镜的数值孔径相对低倍物镜加大，对应的相对孔径也相应增加，李斯特物镜的孔径高级球差将成 倍增长，设计难度也有所提升，所以单单只采用一个

18、双胶合透镜已经不能满足李斯特物镜的设计要求了。李斯特物镜的设计一般都会采用两个双胶合透镜的组合形式从而达到减小该物镜的孔径高级球差的目的。如图 2.1 1 所示，称为李斯特物镜。 为了达到同时校正轴向色差和倍率色差的目的，我们使每个双胶合透镜分别校正垂直的轴向色差，即双胶合透镜的 图 3 1 李斯特物镜 0 这样整个物镜能同时校正轴向色差和倍率色差了。 在设计过程中我们遇 到如下问题，就是如果两个双胶合透镜组密接的话，则整个物镜组就与一个密接薄透镜组相当了，仍然只能校正两种单色像差。而如果两个透镜组分离的话，在两个透镜组之间有较大的空气间隔，则相当于由两个分离的薄透镜组构成了一个薄透镜系统，最

19、多可以校正四种单色像差，这就增加了设计光学系统校正像差的可能性。所以，在采用这种方案时，除了系统理论上必须要处理的球差和慧差外，还有可能在一定的程度上校正像散，从而提高轴外上物点的成像质量。 当然，我们也可以使用单独镜片去校正它的球差和慧差，但是，随着每个镜片单独的校正，一般都会存在细微 的负像散，彼此相互叠加，再加上光学系统本身的缺陷（不可避免的场曲），使得镜片成的像面更加弯曲失真。所以我们在挑选镜片的时候都会刻意的选一些球差和慧差彼此互补的，这样，我们在校正这些数据的同时也能在一定程度上产生正像散以减小物镜自身缺陷。 3 高倍消色差物镜 高倍消色差物镜又被称为阿西米物镜，它的的倍率大约为

20、6040 ，数值孔径约为8.06.0 。最常用的阿西米物镜的数值是：数值孔径NA=0.65，倍率 40X。 阿西米物镜可以看作是 在中倍物镜的光学系统上，再加上一个或多个单会聚透镜组成的，单会聚透镜是无5 球差无慧差的。对于新加 的半球形透镜，前面是平面，后面是齐名面，也就是轴上的光线经过前面折射以后与轴线的交点将位于后面的齐名面上。 图 3 2 阿米西物镜 因为在高倍镜的设计过程中数值孔径一直增大，所以我们 利用在前镜添加这种半球形透镜以达到目的。如图 3 3 所示，假如 1U 为入射光线的径角、经平面折射后的径角为2/1 UU 、 再 经过等晕面（第二面）折射后的 径角为 /2U ，则第一

21、面折射后，有： nUInnIU 1/1/111/1 s i ns i ns i ns i n 对于第二面，等晕成像公式为： nnnIIUU 1s ins ins ins in 2/2/222/2 由此得到 2 1/12/2 s i ns i ns i ns i n n UnUnUU 图 3 3 阿米西物镜中等晕透镜的作用 如图 3 2（ a）所示，前片可以看作是在中倍物镜的光学系统上，再加上一个或多个单会聚透镜（无球差无慧差）组成的。为了工作方便，实际上我们在物镜与物平面 之间留有一点空隙，产生的微量球差和慧差则可以在后面的两个双胶合透镜组中补偿，前片的色差也同样用着两个透镜组补偿。 由图 3

22、 2（ b）可见，两个透镜组都是由一个齐名面和一个平镜组成，然而两个透镜组又有所不同，第一个透镜组是不产生误差的，而第二个透镜组的第一面会产生球差和慧差，并且两个透镜组的叠加又会加大色差的产生，这些设计上不可避免的误差都必须靠后面的的两个双胶合透镜组来修正 6 4 浸液物镜 如图 3-4 所示的显微物镜我们称之为浸液物镜，因为它为了提高数值孔径（ NA） ,在盖玻片与前片之间注满油液，通常用杉木油。 因 此在使油液的折射率与盖玻片的折射率相近的同时，也满足了我们对数值孔径的要求。 其数值孔径可以达到 3.125.1 ，倍率为 100 。 图 3 4 阿贝油浸物镜 二 复消色差物镜 因为二级光谱

23、对应的像差数值与物镜的焦距成正相关，会随着物镜倍率和数值孔径增加，几何像差数值对应的波像差与数值孔径的平方成比例，二级光谱色差所对应的波像差增大，一般的消色差物镜已经无法满足我们的需求。因此在一些质量要 求特别高的显微镜中，就要求校正二级光谱色差，称为复消色差物镜。 复消色差物镜 ， 由多组特殊高级透镜组组合而成 ，这些透镜的特殊地方在于它们是光学玻璃和荧石制 成的。 近年，国际上出现了一种消倍率色差的所谓 CF 物镜。这类物镜结构相当复杂，如图 3 5为德国的 CF 物镜。 7 图 3-5 复消色差物镜 四 平场复消色差物镜 而对于那些高级研究人员来说，对显微镜的要 求既需要有足够大的视场，有需要有优良的成像素质，应运而生的就是平场复消色差物镜了。它是在平像场物镜中注入少许氟冕玻璃代替其他玻璃。 由于平场复消色差物镜对球差和二级光谱等差值都有较大的改善，数值孔径较其物镜也有所增加，不仅具有复消色差物镜的特点，也具有平像场物镜的特点，所以它是最为理想也是最有发展前景的显微物镜。 如图 3 7 德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构。 图 3 8 莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构。 图 3 9 苏联平场复消色差物镜系列的光学结构。 图 3 10 奥林巴斯的平场复消色差物镜 系列的光学结构。