40倍顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、目錄摘要 IABSTRACT. I.?第一章緒論 I.I.1? 1顯微鏡國內(nèi)外開展情況 11.2 ZEMAXW介及原理 1第二章物鏡設(shè)計(jì)方案 32. 1物鏡的種類 22. 2高倍物鏡的設(shè)計(jì)方案 9第三章物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)及鏡片選擇 103. 1物鏡的數(shù)值孔徑 103.2物鏡的鑒別率 113. 3物鏡的有效放大倍數(shù) 113. 4垂直鑒別率 123.5 顯微鏡的視場 123.6 顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)中應(yīng)校正的像差 133.7 實(shí)際參數(shù)確定 13第四章40X顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過程 1214. 1選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù) 1214.5 自動優(yōu)化 1214.6 物鏡的光線像差(RAY ABERRATION分析 1

2、 234.7 4物鏡的波像均方差 (OPD分析 184. 5物鏡的光學(xué)傳遞函數(shù) (MTF分析 1234. 6最終仿真參數(shù)分析 24第五章心得體會 2121第六章參考文獻(xiàn)摘要物鏡是顯微鏡的結(jié)構(gòu)組成中最為重要的光學(xué)元器件之一,它的原理那么是利用光的折射成像原理,使被檢測得物體通過光跡被物鏡折射成像再傳入人眼中,所以如何衡量一臺顯微鏡質(zhì)量的好壞,物鏡的各項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)就成為了最為直接和影響成像質(zhì)量的最重要的標(biāo)準(zhǔn).物鏡筒內(nèi)是由分開一段距離并被固定的,一組或多組膠合透鏡組組裝而成,目的是為了對像差和對像差公差的校正.物鏡有許多具體的要求,比方透鏡組的合軸或齊焦,因此物鏡的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,需要具備精密的制作

3、工藝.由于現(xiàn)代物鏡的數(shù)值孔徑研究物 鏡的非常重要的一個參考數(shù)據(jù)己經(jīng)接近極限,物鏡成像的視場中央的分辨率與研究的理論值幾乎沒有出入,也就意味著現(xiàn)代顯微物鏡己經(jīng)到達(dá)了高度完善的地步,因此視場邊緣的細(xì)致化與視場的增大化就成為我們現(xiàn)如今的研究工作.本次課設(shè)主要目的是設(shè)計(jì)出一個 40 X顯微鏡物鏡光學(xué) 系統(tǒng).為了設(shè)計(jì)出相對完整的物鏡光學(xué)系統(tǒng),使得成 像光斑也就是誤差到達(dá)衍射極限,并能夠完美的解決系統(tǒng)像差,主要的應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件是 ZEMA, X隨后我們會詳細(xì)介紹ZEMA灼開展歷史和功能.設(shè)計(jì)顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)的過程就是個反復(fù)優(yōu)化的過程,需要先經(jīng)過計(jì)算機(jī)初步優(yōu)化,系統(tǒng)分析,計(jì)算機(jī)調(diào)整參數(shù),更改參數(shù)變量,再次

4、進(jìn)行優(yōu)化,最終靠分析波前均方差和波像均方差等重要參數(shù),評價(jià)模擬結(jié)果的點(diǎn)列圖,設(shè)計(jì)出符合要求的顯微物鏡關(guān)鍵詞：顯微物鏡；ZEMA X優(yōu)化；光學(xué)系統(tǒng)AbstractThe most important objective is microscope optical components, use light was the first object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parametersof the optical microscope, is the primary me

5、asure a quality standard.The structure is complex, objective, becauseof poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis.Modern microscope objectives, it has already r

6、eached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with littie difference has a narrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imaging edge view, this study is still possible, still in the works.This class is mainl

7、y applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysisfine-tuningparameters changing parameters optimized variables again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric o

8、ptics system, make whole disk image reached diffraction limit. The Simulated resuIts of analysis and evaluation, point a wave of variance, the mean square error, optical transmission function parameters, designed comply with the design requirements of the microscope objectives.Keywords: microscope o

9、bjectives, ZEMAX, Optimization, Optical systems.1緒論光學(xué)作為物理學(xué)中的一個最為重要的分支,在我們的生產(chǎn)與生活中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用.光學(xué)設(shè) 計(jì)經(jīng)過140年的開展,其本質(zhì)并未改變.無論工具再先進(jìn),也只能使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中獲得更多方便而已.光學(xué)設(shè)計(jì)是選擇和安排光學(xué)系統(tǒng)的材料、曲率和間隔,使得系統(tǒng)的成像性能符合應(yīng)用要求.Ph訂ippvon Seidel (1821-1896)對像差理論的統(tǒng)一,可以作為光學(xué)設(shè)計(jì)這門學(xué)科初步成型的標(biāo)志.光學(xué) 設(shè)計(jì)作為光學(xué)儀器的根底,除了調(diào)整結(jié)構(gòu)以滿足光束傳輸要求,還需要對其中存在的問題進(jìn)行分析.在 近60年的研 究與開

10、展過 程中,光學(xué)經(jīng)歷了由人工計(jì)算設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)軟件自動模擬仿真設(shè)計(jì)的過程,實(shí)現(xiàn)了由人工計(jì)算像差、修改參數(shù),到使用電腦與軟件計(jì)算參數(shù)的技術(shù)飛躍,使設(shè)計(jì)者能更快速、更高效的設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)且經(jīng)濟(jì)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).在本次設(shè)計(jì)中,采用了ZEMA軟件進(jìn)行高倍顯微物鏡的設(shè)計(jì)和研究,最終給出符合設(shè)計(jì)與研究要求的設(shè)計(jì)結(jié)果.1. 1國內(nèi)外開展情況在我國,制造顯微鏡要追溯到抗戰(zhàn)時期了,距今也有近80年的歷史.現(xiàn)在,國內(nèi)顯 微鏡的產(chǎn)出總額大約2.5億美元左右,在世界顯微鏡市場中,我國在中、低端顯微鏡領(lǐng)域占有相當(dāng)?shù)谋戎?顯微鏡 的制造與研發(fā)是專業(yè)性很強(qiáng)的,其主要核心部件就是物鏡.目前,在國內(nèi)的光學(xué)顯微鏡物鏡市場中,大型的高檔的

11、顯微鏡市場都被德國的公司Leica占有,其余主要是由國內(nèi)的光學(xué)儀器生產(chǎn)廠家所限制.1.2物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)的根底數(shù)據(jù)類型及研究方向我們?yōu)榱嗽O(shè)計(jì)我們要研究的光學(xué)系統(tǒng)的原理圖,就必須要先確定物鏡的根本光學(xué)特性,使其滿足原理圖中給點(diǎn)的要求.而首要的目標(biāo)就是要先確定物鏡的放大倍率、線視場,光闌位置；隨后再通過公式計(jì)算數(shù)值孔徑、共轆距、后工作距等參數(shù)；最終確定外形尺寸.顯微物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì),其實(shí)就是對物鏡進(jìn)行一個消像差的過程.像差的種類有以下幾種,五種單色光像差有：球差、彗差、像散、場曲和 畸變；兩種復(fù)色像差：軸向復(fù) 色差和垂軸復(fù)色差.2 ZEMAX簡介及原理ZEMA混應(yīng)用最為廣泛的一款全能性的鏡片設(shè)計(jì)與仿真軟

12、件.這款軟件集成了包含光學(xué)系統(tǒng)的建模、光線的追跡計(jì)算、像差的分析、優(yōu)化、公差分析等許多功能,并且通過其直觀的用戶使用界面,為設(shè)計(jì)人員提供了一款極為方便快捷的學(xué)習(xí)與應(yīng)用工具.許多年來,ZEMA刈工作人員每年都致力于對軟 件進(jìn)行革新和改良,并賦予ZEMAXS；強(qiáng)大的功能和更為簡單的操作流程,因而被廣泛應(yīng)用在物鏡的設(shè)計(jì)、光纖傳播、激光照明和其他光學(xué)科技技術(shù)領(lǐng)域中.ZEMAXI4序列和反序列著兩種追跡模式來模擬光的折射、反射和衍射.序列追跡模式主要是用于傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā),如我們熟知的照相機(jī)的照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡的望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微鏡的顯微系統(tǒng)等等.在該模式中,ZEMA溺以面為模擬光學(xué)系統(tǒng)的原型與

13、根底,每一層外表的位置都靠該外表以參考前一個面坐標(biāo)為對象來確定的.光線從 設(shè)計(jì)的物平面開始,根據(jù)外表的前后順序進(jìn)行追跡,而且追跡速度很驚人.許多復(fù)雜的系統(tǒng)那么需采用第二種模式 非序列模式來進(jìn)行光線的追跡與光學(xué)系統(tǒng)的建模,如照明系統(tǒng)、棱鏡系統(tǒng)、導(dǎo)光管、微反射鏡和非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀的物體等.在該模式中,ZEMA就物體作為研究目標(biāo),將光線根據(jù)系統(tǒng)給定的物理規(guī)那么入射到模型中,并且程序沿著程序給定的光路的進(jìn)行追跡模擬.非序列模式可按任意方向和角度將光入射到任意一組模擬的物體上,當(dāng)然也可以以同一角度多次入射到相同的物體上,直到入射光線被模擬的物體徹底阻攔無法穿透為止.非序列模式與序列模式相比有優(yōu)點(diǎn)也有

14、缺點(diǎn),非序列模式的光線追跡能夠?qū)饩€的傳播和模擬進(jìn)行更為細(xì)節(jié)的分析和研究,相比之下序列模式的光線追跡那么相對較弱；但此模式也有一個相對難以逾越的瓶頸,也就是由于非序列模式要分 析的光線很多,計(jì)算路徑較長,計(jì)算頻率較大,所以計(jì)算速度較慢.在科學(xué)的模擬和研究中總是相互協(xié)作相互利用的,在設(shè)計(jì)一些較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中,可并用序列模式以及非序列模式的光線追跡.并且根據(jù)需要,ZEMA池可以將任意方向、位置或形狀的非序列組件和序列光學(xué)組件進(jìn)行結(jié)合以達(dá)成某些難度較大的光學(xué)外表的研究工作,共同形成一個光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).2. 1用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的根本過程用ZEMA軟件進(jìn)行物鏡或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程如圖2.1所示優(yōu)化

15、Tytm.大H象質(zhì)評做口+ ftN 為評價(jià)函魏圖2.1光學(xué)設(shè)計(jì)過程框圖3物鏡的種類及高倍物鏡的設(shè)計(jì)方案3. 1物鏡的種類根據(jù)物鏡校正原理的不同,顯微鏡物鏡通常分為以下幾種物鏡：消色差物鏡類,包括消色差物 鏡和復(fù)消色差物鏡、以及平像場物鏡和消色差物鏡的綜合平場復(fù)消色差物鏡、折射和折反射物鏡等.一消色差物鏡消色差物鏡是一種結(jié)構(gòu)簡單明了應(yīng)用最為廣泛的顯微鏡物鏡.消色差物鏡的設(shè)計(jì)只需要校正鏡片的球差、正弦差和一般的單色光像差,而不校正復(fù)色像差,所以被稱為消色差 物鏡.而這類物鏡 的分類,那么根據(jù)它的放 大倍率和物鏡的數(shù)值孔徑的不同分為低、中、高倍和浸液消色差物鏡.1低倍消色差物鏡這類物鏡一般應(yīng)用于放大

16、倍率低放大倍率大約為出"、數(shù)值孔徑小數(shù)值孔徑大約在小 左右、視場小的場合對應(yīng)的相對孔徑大約為"左右.由于相對孔徑不大,視場比擬小,所以低倍物鏡的設(shè)計(jì)只要求校正球差、慧差和軸向色差.求解的關(guān)鍵是那么是選擇適宜的玻璃組合,以便能同時校正這三種色像差.因此結(jié)構(gòu)最為簡單雙膠合透鏡就成為低倍消色差物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)的首選物鏡.而這款顯微鏡物鏡的設(shè)計(jì)方法與雙膠合望遠(yuǎn)鏡的物鏡的設(shè)計(jì)方法十分類似,這里就不再贅述；唯一不同的地方在于,物體成像的位置并不 在理論上的無限遠(yuǎn)處,而是位于有限距離.8人12 ,數(shù)值孔徑約為雙膠合所示,稱為李斯圖3-1李斯特物鏡阿西米物鏡可以看作是在中倍物鏡的光學(xué)系統(tǒng)上,再

17、加40? 60,數(shù)值孔徑約為. 6? 0.8o最常用的阿2中倍消色差物鏡中倍消色差物鏡又被稱為李斯特物鏡,它的的倍率大約為?2.? 3.最常用的李斯特物鏡的數(shù)值是：數(shù)值孔徑 NA=O. 25,倍率由于李斯特物鏡的數(shù)值孔徑相對低倍物鏡加大,對應(yīng)的相對孔徑也相應(yīng)增加,李斯特物鏡的孔 徑高級球差將成倍增長,設(shè)計(jì)難度也有所提升,所以單單只采用一個雙膠合透鏡已經(jīng)不能滿足李斯特物鏡的設(shè)計(jì)要求了.李斯特物鏡的設(shè)計(jì)一般都會采用兩個雙膠合透鏡的組合形 式從而到達(dá)減小該物鏡的孔徑高級球差的目的.如圖 2.1 - 1特物鏡.為了到達(dá)同時校正軸向色差和倍率色差的目的,我們使每個透鏡分別校正垂直的軸向色差,即雙膠合透鏡

18、的這樣整個物鏡能同時校正軸向色差和倍率色差了.在設(shè)計(jì)過程中我們遇到如下問題,就是如果兩個雙膠合透鏡組密接的話,那么整個物鏡組就與一個密接薄透鏡組相當(dāng)了,仍然只能校正兩種單色像差.而如果兩個透鏡組別離的話,在兩個透鏡組之間有較大的空氣間隔,那么相當(dāng)于由兩個別離的薄透鏡組構(gòu)成了一個薄透鏡系統(tǒng),最多可以校正四種單色像差,這就增加了設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)校正像差的可能性.所 以,在采用這種方案時,除了系統(tǒng)理 論上必須要處理的球差和慧差外,還有可能在一定 的程度上校正像散,從而提升軸外上物點(diǎn)的成像 質(zhì)量.當(dāng)然,我們也可以使用單獨(dú)鏡片去校正它的球差和慧差,但是,隨著每個鏡片單獨(dú)的校正,一般都會存在細(xì)微的負(fù)像散,彼此

19、相互疊加,再加上光學(xué)系統(tǒng)本身的缺陷不可防止的場曲,使得鏡片成的像面更加彎曲失真.所以我們在挑選鏡片的時候都會刻意的選一些球差和慧差彼此互補(bǔ)的,這樣,我們在校正這些數(shù)據(jù)的同時也能在一定程度上產(chǎn)生正像散以減小物鏡自身缺陷. 3高倍消色差物鏡高倍消色差物鏡又被稱為阿西米物鏡,它的的倍率大約為 西米物鏡的數(shù)值是：數(shù)值孔徑NA二 0. 65,倍率 40Xo上一個或多個單會聚透鏡組成的,單會聚透鏡是無球差無慧差的.對于新加的半球形透鏡,前面是平面,后面是齊名面,也就是軸上的光線經(jīng)過前面折射以后與軸線的交點(diǎn)將位于后面的齊名面上圖3-2阿米西物鏡由于在高倍鏡的設(shè)計(jì)過程中數(shù)值孔徑一直增大,所以我們利用在前鏡添加

20、這種半球形透鏡以到達(dá)目的.如圖3-3所示,假設(shè)為入射光線的徑角、經(jīng)平面折射后的徑角為 仝2再經(jīng)過 等暈面第二面折射后的徑角為勺那么第一面折射后,有：sinU 二 sin I j - sin 1/ni對于第二面,等暈成像公式為：siU : s i rL n21si iU? sin? n? n由此得到/ s i U 2 s i rU / s i Us i ltd 2 = = =2-n n n圖3-3阿米西物鏡中等暈透鏡的作用如圖3-2 Q所示,前片可以看作是在中倍物鏡的光學(xué)系統(tǒng)上,再加上一個或多個單會聚透鏡無球差無慧差組成的.為了工作方便,實(shí)際上我們在物鏡與物平面之間留有一點(diǎn)空隙,產(chǎn)生的微量球差和

21、慧差那么可以在后面的兩個雙膠合透鏡組中補(bǔ)償,前片的色差也同樣用著兩個透鏡組補(bǔ)償.由圖3-2 b可見,兩個透鏡組都是由一個齊名面和一個平鏡組成,然而兩個透鏡組又有所不同,的疊加又會第一個透鏡組是不產(chǎn)生誤差的,而第二個透鏡組的第一面會產(chǎn)生球差和慧差,并且兩個透鏡組加大色差的產(chǎn)生,這些設(shè)計(jì)上不可防止的誤差都必須靠后面的的兩個雙膠合透鏡組來修正4浸液物鏡如圖3-4所示的顯微物鏡我們稱之為浸液物鏡,由于它為了提升數(shù)值孔徑 NA,在蓋玻片與前 片之間注滿油液,通常用杉木油.因此在使油液的折射率與蓋玻片的折射率相近的同時,也滿足了我們對數(shù)值孔徑的要求.其數(shù)值孔徑可以到達(dá)=25"? 3,倍率為100

22、X.圖3-4阿貝油浸物鏡二復(fù)消色差物鏡由于二級光譜對應(yīng)的像差數(shù)值與物鏡的焦距成正相關(guān),會隨著物鏡倍率和數(shù)值孔徑增加,幾何像差數(shù)值對應(yīng)的波像差與數(shù)值孔徑的平方成比例,二級光譜色差所對應(yīng)的波像差增大,一 般的消 色差物鏡己經(jīng)無法滿足我們的需求.因此在一些質(zhì)量要求特別高的顯微鏡中,就要求校正二級光譜色差,稱為復(fù)消色差物鏡.復(fù)消色差物鏡,由多組特殊高級透鏡組組合而成,這些透鏡的特殊地方在于它們是光學(xué)玻璃和熒石制成的.近年,國際上出現(xiàn)了一種消倍率色差的所謂CF物鏡.這類物鏡結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,如圖3-5為德國的物鏡.3 9 -ffl-ffiEM . " 二 Z圖3-5復(fù)消色差物鏡p D卜f四平場復(fù)消

23、色差物鏡而對于那些高級研究人員來說,對顯微鏡的要求既需要有足夠大的視場,有需要有優(yōu)良的成像 素質(zhì),應(yīng)運(yùn)而生的就是平場復(fù)消色差物鏡了.它是在平像場物鏡中注入少許氟冕玻璃代替其他玻璃.由于平場復(fù)消色差物鏡對球差和二級光譜等差值都有較大的改善,數(shù)值孔徑較其物鏡也有所增力口,不僅具有復(fù)消色差物鏡的特點(diǎn),也具有平像場物鏡的特點(diǎn),所以它是最為理想也是最有開展前景的顯微物如圖3-7德國蔡司的超廣視野平場復(fù)消色差物鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖3-8萊茨的平場復(fù)消色差物鏡系列的光學(xué)結(jié)構(gòu).圖3-9蘇聯(lián)平場復(fù)消色差物鏡系列的光學(xué)結(jié)構(gòu).圖3-10奧林巴斯的平場復(fù)消色差物鏡系列的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖3-7蔡司平像場復(fù)消色差物鏡五折反射物鏡折反

24、射顯微物鏡具備兩個優(yōu)勢：第一可以滿足較遠(yuǎn)的視距要求而不會被局限于自身的焦距長短；二是具備較廣的消色差譜線范圍,甚至可以擴(kuò)展到紅外線與紫外線.在折反射物鏡中,偏折光線的水平靠反射鏡,反射鏡產(chǎn)生的像差再由假設(shè)干校正透鏡去校正,這 些校正 透鏡材質(zhì)不大,可以采用特殊光學(xué)材料.反射和折反射物鏡有兩個缺點(diǎn),一是存在中央欄光,入射光瞳為欄裝圓形,使物鏡對于那些低 比照度 的物體分辨水平下降.另一個缺點(diǎn)是反射鏡面的加工精度高,物鏡的組裝校準(zhǔn)困難.3. 2高倍物鏡的設(shè)計(jì)方案由于高倍顯微鏡物鏡的光學(xué)特性變化范圍廣,相對孔徑的數(shù)值較高,需要校正的球差和慧差也 大大增 加,它的設(shè)計(jì)比中、低倍物鏡的設(shè)計(jì)要困難得多.本

25、小節(jié)將對顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)中有普遍性的問題作一些分析和說明.1 ?初始結(jié)構(gòu)形式確實(shí)定初始系統(tǒng)的選定是計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)的根底和關(guān)鍵.顯微鏡物鏡中高級像差比擬大,結(jié)構(gòu)也 比擬復(fù)雜.因此,顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)一般都是根據(jù)要求的光學(xué)特性和成像質(zhì)量,從手冊、資料或?qū)＠墨I(xiàn)中找出一個和設(shè)計(jì)要求比擬接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu).2 ?像差校正在初始結(jié)構(gòu)確定以后,就需要矯正的像差.我們必須通過像差計(jì)算來確定.為此我們把顯微鏡物鏡的像差校正大體分成三個階段來進(jìn)行.第一價(jià)段：首先校正“根本像差O在顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)中,根本像差就是那些全視場和全孔徑的像差,女n：(1) 軸上點(diǎn)孔徑邊緣光線的球差土 和正弦差叫.(2)邊緣視

26、場像點(diǎn)的細(xì)光束子午場曲g和弧矢場曲匚.軸上點(diǎn)的軸向色差心和全視場的垂軸色差"心：在顯微鏡物鏡中一般對g(435.83nm)和C(656? 28nni這兩種波長的光線消色差,而不像目視光學(xué)儀器那樣對F光、C光消 色差.由于感光材料對短波比人眼敏感.(4)畸變只對那些特殊用途的顯微鏡物鏡(如用于攝影測量的物鏡),才將畸變作為根本像差一開始就 加以校正,一般顯微鏡物鏡中不加以校正.由于顯微鏡物鏡的結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜,校正上面這些基本像差并不困難.第二階段：校正剩余像差或高級像差.在完成第一階段像差的校正之后,開始進(jìn)入最關(guān)鍵的第二階段的校正.在全面分析完系統(tǒng)像差的校正狀況后,找出最重要的高級像差作

27、為校正對象.在第一階段校正過的像差也必須參與高級像差的校正,因?yàn)樾Ｕぷ魇侵鸩绞湛s公差的,只有在根本的像差得到校正的前提下,校正高級像差才有意義.在校正過程中,某些不大的像差可能會增加,這時也必須把它們記入校正,如果不能同時校正,就采取折中的方法是每個高級像差都得到兼顧.如果系統(tǒng)無法使每個高級像差都減小到允許的公差范圍內(nèi),那就只能放棄原來所選的原始結(jié)構(gòu)重新選擇一個高級像差較小較完整的結(jié)構(gòu)繼續(xù)重復(fù)第一階段的工作,知道各個高級像差都降到我們的要求為止.第三階段；像差平衡.獲得最正確的在使各高級像差到達(dá)要求之后,就要開始進(jìn)行“像差平衡 了.根據(jù)系統(tǒng)在全視場和 全孔徑內(nèi) 的像 差排布規(guī)律,自身調(diào)整根本

28、像差的數(shù)值,再重新進(jìn)行根本像差的校正,是全視場和全孔徑內(nèi)可以 成像品質(zhì).其總設(shè)計(jì)圖如下:圖3-11 40 X顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)方案圖4物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)及鏡片選擇2. 2初級像差理論和像差校正2. 2. 1幾何像差像差是一種在光學(xué)系統(tǒng)中透鏡材料的特性.它是折射(或反射)外表的幾何形狀引起實(shí)際像和理想像的偏差.理想像就是有理想光學(xué)系統(tǒng)所成的像,用高斯公式、牛頓公式或近軸光線計(jì)算得到的像的位置和大小是理想像的位置和大小,而實(shí)際光線計(jì)算結(jié)果所得到的像的位置和大小相對于理想像的偏差,可作為像差的尺度.像差的大小反響了光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣.幾何像差主要有七種：其中單色像差有五種,球差、彗差、像散、場曲、畸變；復(fù)色像

29、差有軸向色差和垂軸兩種.用高斯公式、牛頓公式或近軸光線計(jì)算得到的像的位置和大小是理想像的位置和大小；而實(shí)際光線計(jì)算結(jié)果所得到的像的位置和大小相對于理想像的偏差,可作為像差的尺度.在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中,各種像差是同時存在的且不能去除的.它是造成了光學(xué)系統(tǒng)成像的清楚度低、相似性低和色彩失真等現(xiàn)象的罪魁禍?zhǔn)?在所有的光學(xué)零件中,平面反射鏡是惟一能成完善像的光學(xué)零件.1 ? 球差(spherical aberration)球差是球面像差的簡稱.如圖21所示是一個持校正物鏡的球差情況.球差是軸上點(diǎn)惟一的單色像差,分為兩種情況,沿軸方向度量稱為軸向球差(axial spherical aberratio n

30、)；沿垂軸方向度量 稱為垂軸球差(la teral spherical aberra tion).軸向球差(axial spherical aberration)又稱縱向球差(longitudinal spherical aberration)是沿光軸方向度量的球差.用符號. 垂軸球差 (lateral spherical aberration)是在過近軸光線像點(diǎn)A的垂軸平面內(nèi)度量的球差圖2.1中的尸就是垂軸球差,它表示由軸向球差引起的彌散圓的半徑入瞪像面圖2.1球差勺、tanU ?對于單透鏡來說,sinU -與球差值成正比,也就是說單透鏡本身是沒有校正球差的能力的.有趣的是單正透鏡產(chǎn)生的球差

31、是負(fù)值而單負(fù)透鏡那么產(chǎn)生的是正值.光學(xué)系統(tǒng)中對某一給定孔徑的光線到達(dá)的系統(tǒng)稱為消球差系統(tǒng).2 .慧差(com8; comatic aberration)為了掌握成像光束光線的全貌,先介紹兩個平面,即子午平面和弧矢平面.由軸外物點(diǎn)和軸所確定的平面為子午平面,子午平面內(nèi)的光束稱子午光束；過主光線且與子午平面垂直的平面為弧矢平而,弧矢平面內(nèi)的光束稱弧矢光束.彗差是軸外物點(diǎn)發(fā)出寬光束通過光學(xué)系統(tǒng)后,不會聚在一點(diǎn),而呈慧星狀圖形的一種相對主光線失對稱的像差.具體地說,在軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束中,對稱于主光線的一對光線,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,不再與主光線對稱,使交點(diǎn)不再位于主光線上,對整個光束而言,與 理想面形成一個

32、彗星狀光 斑的一種非軸對稱性 像差.子午彗差指子午光束的慧差,見圖 2.2(a) o組2.2(a)子午慧差弧矢慧差指弧矢光束的惠差圖2.2(b)彗差形成示意圖圖2.2(b)是彗差形成示意圖.距離主光線像點(diǎn)越遠(yuǎn),形成的圓斑直徑越大,這些 圓斑相互 疊加的結(jié) 果,形成一個慧星形狀的光斑,光斑的頭部(尖端)較亮,白尖端至尾部 亮度逐漸減弱,稱 彗星像差,簡稱 慧差.慧差的形狀有兩種：彗星斑的尖端指向視場中央,稱正慧差；慧星斑的尖端指向視場邊緣,稱為負(fù)慧差.彗差沒有 對稱軸 只能垂直量度,所以是垂軸像差的一種.慧差對光學(xué)系統(tǒng)研究的影響：損害了像的清楚度和質(zhì)量.對于某些視場小的光學(xué)系統(tǒng)(如顯微物鏡),由

33、于像高本身較小,慧差實(shí)際數(shù)值很小,因此用慧差絕對數(shù)量缺乏以說明系統(tǒng)的慧差特性.3 .像散與像場彎曲軸外點(diǎn)細(xì)光束成像,將產(chǎn)生像散和場曲,它們是互相關(guān)聯(lián)的像差(1)像散(astigmatism)光軸外某點(diǎn)的細(xì)光束成像時形成了兩條相互垂直且有一定間隔的短線,這種像差我們稱為像 散.如圖2. 3所示.圖2. 3像散由于像散的形成特性是遠(yuǎn)離光軸所形成的,所以像散會隨著視場的開闊而指數(shù)性加大.光學(xué)系統(tǒng)如存在像散,一個物面將形成兩個像面,在各個像面上不同方向的線條清楚度不同.(2) 場曲(curvature of field)場曲是像場彎曲的簡稱.場曲是平面形成曲像的像差.A.子午場曲(meridional

34、 curyature of field)用細(xì)光束子午場曲和寬光束子午場曲來度量.子午細(xì)光束交點(diǎn)相對于理想像面的偏離,表稱為細(xì)光束子午場曲,見圖 2? 4 (R,用符號x弋Xt 11(2. 3)子午寬光束交點(diǎn)相對于理想像面的偏離,稱為寬光束子午場曲,見圖2.4(b),用符號X 丫表示：(2. 4)細(xì)光束子午場曲與寬光束子午場曲之差為軸外點(diǎn)子午球差B.弧失場曲(sagittal survature of field)用細(xì)光束弧失場曲和寬光束弧失場曲來度量.弧矢細(xì)光束交點(diǎn)相對于理想像面的偏離,稱為細(xì)光束弧失場曲,用符號X,來表不：XS 二 1s_|(2.5)弧矢寬光束交點(diǎn)相對于理想像面的偏差,稱為寬

35、光束弧失場曲,用符號X,來表示：X s 二L s (2.6)細(xì)光束弧失場曲與寬光束弧失場曲之差為軸外點(diǎn)弧失球差.像散和場曲既有區(qū)別又有聯(lián)系.有像散必然存在場曲,但場曲存在時不一定有像散.像散值和像面彎曲值都是對某一視場而言的.如果光學(xué)系統(tǒng)不能使一個較大的平面上各個點(diǎn)在同一像面上都能成清楚的像,就證實(shí)這個光學(xué)系統(tǒng)存在場曲.復(fù)色光成像時,由于不同色光而引起的像差稱色差.又稱軸向色差或位置色差)XJ庭五軸合蘭未甫位玄缶*、HE鈾C(jī) Vi CSS C + 1八 V* s c圖2.6軸向色差色差有縱向色差 (cong itu dinal chroma tic aberration)(如圖2.6示,兇“&

36、lt;0,稱為色差校正缺乏；反之兇>0 ,稱為色差校正過度0假設(shè)Af和AC重合,那么Hfc二0,稱為光學(xué)系統(tǒng)對F光和C光消色差.消色差系統(tǒng),是指對兩種色光消軸向色差的系統(tǒng).(2)垂軸色差一沿垂軸方向量度的色差由于光學(xué)材料對不同色光的折射率不同,因而使光學(xué)系統(tǒng)對不同色光有不同的焦距由式：二-x/f ?知：不同色光的焦距不等時,放大率也不等,因而有不同的像高,這就是倍率色差,如圖2. 7所示.光學(xué)系統(tǒng)的垂軸色差是以兩種色光的主光線在高斯面上的交點(diǎn)高度之差度量的,以護(hù) c表示,即圖2.7垂軸色差4. 1物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光水平,是物鏡的重要性質(zhì)之一,增強(qiáng)物鏡的聚光水平可提

37、升物鏡的鑒別率.數(shù)值孔徑通常以符號“ NA表示(HP Numerical Aperture ).根據(jù)理論的推導(dǎo)得出：N. A.二 n. si nu式中n物鏡與觀察之間介質(zhì)的折射率；u一物鏡的孔徑半角數(shù)值孔徑XA-n sinU ,是顯微鏡物鏡最主要的光學(xué)特性,它決定了物鏡的衍射分辨率、；,根據(jù)顯微鏡物鏡衍射分辨率的計(jì)算公式：.0.61 ?NA公式中,是顯微鏡物鏡所能分辨的最小兩個物點(diǎn)的距離；'為光的波長,對正常顯微儀器來說,取平均波長'二0. 0005人二5001111 ;皿為物鏡的數(shù)值孔徑.因此要提升顯微鏡物鏡的分辨 率,必須增大數(shù)值孔徑NA 因此,有兩個提升數(shù)字孔徑的途徑：a

38、增大透鏡的半徑或減少物鏡的焦距.此方法局限為因?qū)е孪蟛钤龃蠹?實(shí)際上正弦值u的極值只能到達(dá)0.94b增加物鏡與觀察之間的折射率 n.是介質(zhì)對物鏡數(shù)值孔徑影響示意圖.當(dāng)光線沿 光軸方 向射 向觀察物時,自物體S處發(fā)出的反射光除沿S0方向反射外,尚有SI S1'S2, S2'等衍射光.a是以空氣為介質(zhì)又稱干系物鏡的情況,只有 SI S1'內(nèi)的衍射光可 以通過物鏡,SI S1'以外的衍射光如S2, S2'均不能通過物鏡.b以松柏油或其它油 為介質(zhì)又稱油浸物鏡時,致使S2, S2'甚至S3, S' 3 內(nèi)的衍射光均可通過物鏡.因而使 物鏡通過盡可

39、 能多的衍射光束,利于鑒別組織細(xì)節(jié).4. 2物鏡的鑒別率物鏡的鑒別率：指物鏡能夠清楚區(qū)分兩個點(diǎn)的最大距離,以兩個能清楚區(qū)分的點(diǎn)的最小距離D的倒數(shù)表示.所以D越小就表示物鏡的鑒別率高9 0稱為極限分辨角.因此,當(dāng)0時是完全可分辨的,0時是不可分辨的.由圓孔衍射理論得到：9 0=1.22 入/ D式中入入射光波長；D -入射光的最大允許孔徑透鏡直徑.由于90很小,所以由圖2-4得：d'、9 0=1.22 入 S / D4. 3物鏡的有效放大倍數(shù)有效放大倍數(shù)：在上面我們提到必須保證顯微鏡的鑒別率才能夠清楚的分辨所成的像,那么在 已經(jīng)充 分利用的鑒別率的根底上顯微鏡所能放大的倍數(shù)我們就稱之為有

40、效放大倍數(shù).有效放大倍數(shù)并不是隨意定的,由于我們?nèi)搜鄣拿饕暰嚯x處的分辨水平是 0.15到0. 30之間的,那么就要求物鏡的 鑒別率d經(jīng)過放大 成像后也必須保持在這個范圍才能被我 們?nèi)庋鬯鶇^(qū)分假設(shè)以M表示物鏡的放大倍數(shù),那么d? m=0? 15 0. 30M=0. 15-0? 30/d=(0. 15 ? 0. 30 )(N. A. ) /0. 5 入二 0. 3、0? 6N. A. / AM有效二 0.3? 0? 6N? A? / 入由此可知：物鏡的有效放大倍數(shù)由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長決定.4. 4垂直鑒別率垂直鑒別率又被稱為景深,顧名思義,它是在鎖定某一個點(diǎn)的情況下,使物鏡所成的像沿垂直方

41、向移動且能夠保證最大清楚圖像的整體范圍,它的意義就在于在對應(yīng)相同物體時它所能成像的最大 垂直范圍,它的大小由兩個最為清楚的成像的兩個極限位置所確定.因此在人眼分辨率為0.15到0.30的情況下,設(shè)n為目的物所在的介質(zhì)的折射率,NA為數(shù)值孔徑,M為物鏡放大倍數(shù),所以景深 H可有以下公式求出：h=n / (N. A.). M x ( 0. 15? 0. 30 ) mm5. 5顯微鏡的視場-/顯微鏡的視場都是由目鏡的視場決定的.一般顯微鏡的線視場劉不大于2血對假設(shè)的無限筒長的顯微鏡來說,物方視場角為：么二 0. 04, f 筒 250而該值就是物鏡的像方視場角,所以物鏡的視場角2 ?一般不大于 5.

42、視場小,也是顯微鏡物鏡的一 個特點(diǎn).6. 6實(shí)際參數(shù)確定齊明條件如果對單個外表的球差方程求解,可以求出三個無球差的解,它們是：(1)當(dāng)物和像均在外表上時,由初級像差系數(shù)表達(dá)式S 二 I uni (i i) (i, -u)知道,當(dāng)|二.時,球差為零(Sr ° )(2)當(dāng)物在曲率中央時,i可,球差為零($二.)o(3)第三種狀況就是的齊明狀態(tài),如圖 4T所示,當(dāng)L 二 R (j時,求得nz n rXn由折射定律s i iiz -Si nn上述結(jié)論也適用于近軸區(qū)域,即當(dāng)I二上 ? (-) W, n把 i/ 二 u 代入 Si 中, 1/) (i-u), 當(dāng) I、i得到$匚°,球差

43、為零r由于 SH 二 I 11 ni p數(shù)均為零(創(chuàng)二° ) 0-u中任何一項(xiàng)等于零時,慧差系由此可見,當(dāng)I二T)時,球差、慧差都為零. nr二前組透鏡的設(shè)計(jì)為不失一般性,設(shè)前組透鏡為一彎月形透鏡,如圖1621所示,其玻璃的折射率為n其角放大 率為:/I A| A丁 U2 Ui U2 | 11111=,一 T ='/ /Ui Ui u 2 li n 2 li n£1)A由阿貝零不變量公式,得到-)=m鞏中,二11 1 eC - ri 11 ri那么角放大率可以進(jìn)一步寫為：由此得到彎月形透鏡的第一面的曲率半徑,li (n 1 )1 21 n2 -1對于第二面,由于要求

44、滿足齊明條件,那么12=2(1 -)n那么得到第二面的曲率半徑：V ()n A n n Ii12那么1 1七11) 'nn122千1 - n這樣,就可以根據(jù)要求求出前組透鏡的結(jié)構(gòu).在選定玻璃材料后,首先根據(jù)工作距離 和角放大率的要求求出呂 然后選定透鏡厚度,求出 對于,那么前組透鏡設(shè)計(jì)完成.阿米西物鏡,第一面取為平面,即 A：那么n2 -1 =0,=1透鏡的距離盡可能的小.40倍顯微物鏡的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是 應(yīng),10, NA = 0. 65 ? 0.85.為了減小前組透鏡的誤差(倍率色差),我們必須限制半球透鏡和與其相鄰的雙膠合由于對于阿西米物鏡來說,球差與物距是存在之間聯(lián)系的,所以高倍物鏡的

45、工作距離就必須很小,而且數(shù)值孔徑越大工作距離就會越小.如果想要再加大數(shù)值孔徑,就要采用油浸物鏡,它是齊明的前組與李斯特物鏡(后組)的組合.齊明前組可由一個半球和一個彎月透鏡組成門產(chǎn)OiHi圖16- 21高倍顯微鏡物鏡前組設(shè)計(jì)第五章40倍顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真流程7. 1選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù)顯微鏡物鏡的初始結(jié)構(gòu)選擇如下Surf:TypeComsntRadiusThickn>gasGlassSemi? -DiaiMT erOBJ品七業(yè)zHInfinity12. SOQO 口匚1-?.52300()0.950DQ0ZF73.4101732Standard-11.? i2.70D0GGg2gx

46、25iaoooZK 34.11*34：34-17-02200C7.soaaQO4.131343»-STTCInfinity7? 43DQGG?li? 72. 200()2,210009ZK 92.7941E三7SL&ndAzd-?.61600()1.130QDOZF72. ? 0972s?5l: .andazd-S2? 5LG000Q? 320CI0G9 St nndA rd4 ? o*oaoioZSAF32.402 LEO-10T.H HH2 ? e*aaoo)1.OODOQO0.39331 (C115 L andazdInfinity0.17D0GGK90. H051,4

47、12StBndiirdInfinity9,27&7B9MTEAn.S00239圖5-1在用ZEM敞件進(jìn)行設(shè)計(jì)時,將顯微鏡倒置設(shè)計(jì).設(shè)置參數(shù)如下：垂直放大率：物方數(shù)值孔徑：,物高：,物方半視場高度：.這次在使用ZEM與ij作鏡片時,必須將物鏡倒置,如下圖,該鏡片的參數(shù)：垂直放大率：,物方數(shù)值孔徑：,物高：,物方半視場高度：.根據(jù)圖片我們不難發(fā)現(xiàn),初始的鏡片成像的質(zhì)量并不理想,這是ZEM敞件的特性所致,我們進(jìn)行一下步驟,也就是軟件的自動優(yōu)化校正5.2自動優(yōu)化首先,建立自動優(yōu)化函數(shù).具體過程如卜：選擇 Editors ) > Merit Fun ction ,彈出MeritFuncti

48、on Editor對話框,在 Type 欄中輸入 EFFL 并將 Target 定為 6. 930840, Weight 值 取 1.0 ; 其次,選擇 Merit Function Editor對話框工具欄中的 Tools?DefaultMerit Function, 設(shè)置 Optimization and Referenee為 RM&Wavefront ? Centroid ;最后,進(jìn)行自動優(yōu)化.顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下：Surf:TypeThickn-essSeiELi - DiEJzsAerOBJInfif& ? aAsaoc12-S000001Standard-6.7e

49、il?7V2.029529)VZF73.403611/StaneLazil-Si.2S10S?V2. 70000()3. "742373/Standard10.7341101 .SSDOOOZK34. 174GS34占匚andaidV7.500000)4. 0GS015STO品口氏Infinity7. WOQQO5. 34?355?Standard9. 271757V2.330000)ZKS2."397617-S.29724971.19D0DCZF72.491149SStandard-SS? 0002"932000019/(、C 4 rcStandard?3. 2

50、52*31V4.L0000Z3ATS2. 2B3020102. SS137：1 ? 0000000,92573911StandardItifinityd,170000K30. S3306712InfoAoogao.a484SE1IMAStandardInfinity0. SOOODO)U圖5-2經(jīng)過自動優(yōu)化后的顯微物鏡的結(jié)構(gòu)、傳函以及像茅如圖5-2所示.此時,像方數(shù)值孔徑NA二,傳遞函數(shù)接近于衍射極限,成像質(zhì)量較好,根本上到達(dá)設(shè)計(jì)的要求.LB<$ *5 NO THUEW6O MAV 20 2Dt M imxXMLF SCALt i I0.CQ0 WIOWS?喚J電沖POLtO*WTIC

51、DIIWCTICM MTFHO UWEUKD MAY ae 2021DRTR e.Wl TO e FXCPONS.m? SKMEwiai 11(COHFrawAiroN 1AOF rTffiN5? ; ER$C ? Rr FW4 PLOTP 仇 YXWTIC CCTWCYION MFLINS hrs m) titu ?翻 13 i Wm + 1 s see niceoNS.L&C HRS hO THUM? FAY 2$ 20!M 區(qū)和 FCP 8 TO ?斫 2 MICfiOHS.c:? c? v? ii? jtromccnxMcrwUi .CONFIGURATION 1 OF Le.ee早Z i. Wi8e287SPATTRI FKOUENCT TH CYOB PW HOLDCTW圖5-3初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)仿真圖圖5-4自動優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖5? 3物鏡的光線像差(Ray Aberration)分析通過光線特性曲線來分析光線像差,以顯示關(guān)于入瞳坐標(biāo)函數(shù)的光線像差.本次設(shè)計(jì)的40X顯微物鏡系統(tǒng)的光線特性曲線如圖 5-5所示.LEM底IO TITLE健冢篷S" t 510O MlCaaiS. J 14 F ? bU：JICO