基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)演示教學(xué)

1、基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)學(xué)院編號(hào)：大學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)（自然科學(xué)類(lèi)）課題名稱：基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)申請(qǐng)人孫冬指導(dǎo)教師張科所在系電子工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系起止年月:2016年4月-2017年3月填報(bào)日期:2016年4月21日淮南師范學(xué)院科研處二O三年制、編寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)之前請(qǐng)認(rèn)真閱讀本填表說(shuō)明。申請(qǐng)書(shū)所列內(nèi)容必須實(shí)事求是，逐項(xiàng)認(rèn)真填寫(xiě)，表達(dá)要明確嚴(yán) 謹(jǐn)。對(duì)于填寫(xiě)內(nèi)容含糊不清、不合要求、手續(xù)不全的申請(qǐng) 書(shū)不予受理。二、課題申請(qǐng)書(shū)作為課題執(zhí)行過(guò)程中檢查、驗(yàn)收等管 理活動(dòng)的重要依據(jù)文件，由課題負(fù)責(zé)人填寫(xiě)。三、學(xué)院編號(hào)不要填寫(xiě)，由科研處統(tǒng)一編排。四、3-4頁(yè)不得岀現(xiàn)申請(qǐng)人

2、的任何背景資料，否則作廢。3-4頁(yè)與前面的表格分開(kāi)裝訂。五、申請(qǐng)書(shū)中有關(guān)欄目不敷填寫(xiě)時(shí)可另附頁(yè)說(shuō)明。申請(qǐng)人承諾我保證如實(shí)填寫(xiě)本表格各項(xiàng)內(nèi)容。如果獲得立項(xiàng)，承 諾以本表為有約束力的協(xié)議，遵守我院大學(xué)生科技實(shí)踐創(chuàng) 新活動(dòng)基金管理辦法，認(rèn)真開(kāi)展研究工作，取得預(yù)期成 果。如果成果發(fā)表或發(fā)布，我將注明是淮南師范學(xué)院學(xué)生 科技創(chuàng)新基金支持項(xiàng)目。申請(qǐng)人（簽字）：年 月 日申請(qǐng)人姓 名孫冬性別女民漢 族儀出生 日期1998. 09 11政治面貌團(tuán)員所在系電子工程 學(xué)院專業(yè)光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)學(xué)號(hào)1406020219學(xué)校住址淮南市田家庵區(qū) 泉山校區(qū)E-mailSundong_1314126. com聯(lián)系電

3、 要 參 加 者姓名性別出生年 月所在系專業(yè)目工 項(xiàng)分簽名孫冬女1998. 09. 11電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)實(shí)驗(yàn) 操作王琪女1996. 811電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)實(shí)驗(yàn) 操作桂杰玉女1996. 9.28電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)理論 分析指導(dǎo)教師性學(xué)職苗/亠研究專吐玄比、壬姓名別位稱單位長(zhǎng)聯(lián)系電話男碩士助理 實(shí)驗(yàn)師電工學(xué)院激光張導(dǎo)教師意見(jiàn):簽名:年 月 日 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在單位審核意見(jiàn)申請(qǐng)書(shū)所填寫(xiě)的內(nèi)容是否屬實(shí)；本系能否提供完成本項(xiàng)目所需的時(shí)間和條件；本系是否同意本項(xiàng)目的管理任務(wù)和信譽(yù)保證。單

4、位公章：?jiǎn)挝回?fù)責(zé)人簽名:以上內(nèi)容和下面內(nèi)容分開(kāi)裝訂。以下申報(bào)頁(yè)不得出現(xiàn)申請(qǐng)人的背景材料，否則作廢,學(xué)院編號(hào)課題名稱基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)起止時(shí)間2015 年 4 月-2016 年3月預(yù)期成果8000字左右學(xué)術(shù)論文項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容摘要（不超過(guò)400字）顯微鏡以其分辨率極高（原子級(jí)分辨率）、實(shí)時(shí)、實(shí)空間、 原位成像等特點(diǎn)，被廣泛用于電子工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、IT產(chǎn) 業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。物鏡是顯微鏡最重要的光學(xué)部件，利 用光線使被檢物體第一次成像，因而直接影響成像的質(zhì)量和各 項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)，對(duì)顯微鏡系統(tǒng)的成像能力起到?jīng)Q定性作用， 是衡量一臺(tái)顯微鏡質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代顯微物鏡仍存在很大 的局限性，其視

5、場(chǎng)小、數(shù)值孔徑和視場(chǎng)中心的分辨率與理論值之 間還有一定的差距，因此繼續(xù)增大顯微物鏡視場(chǎng)與提高視場(chǎng)邊 緣成彖質(zhì)量是十分必要的。ZEMAX是一套是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析，公差以及報(bào)表集成在一起的光學(xué)設(shè)計(jì) 仿真軟件，能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)建模、模擬、分析和其 他的輔助功能。本研究工作主要采用ZEMAX軟件，將已有的顯 微物鏡結(jié)構(gòu)型式作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行像差校正，利用縮放法設(shè)計(jì) 平場(chǎng)顯微物鏡，并充分利用ZEMAX的光學(xué)系統(tǒng)像差分析功能， 對(duì)原有物鏡系統(tǒng)進(jìn)行全面的像差分析、優(yōu)化，觀察各參數(shù)變動(dòng) 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化和像差、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)變化的影響； 然后綜合分析各個(gè)影響較大的參數(shù)，選其作為

6、優(yōu)化變量，再由ZMAX進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，進(jìn)而完成對(duì)顯微物鏡設(shè)計(jì)工作。關(guān)鍵詞（3-5顯微物鏡 ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)縮放法像個(gè)）差校正課題設(shè)計(jì)論證（可附頁(yè)）1同類(lèi)課題國(guó)內(nèi)外研究狀況；2本課題研究的意義（理論意義 和實(shí)踐意義）；3本課題擬研究的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)；4.本課題的研究方法；5預(yù)期的成果；6相關(guān)參考文獻(xiàn)。1、國(guó)內(nèi)外研究狀況顯微技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，至今顯微鏡仍廣 泛應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用前景很好，在物質(zhì)微小區(qū)域進(jìn)行化學(xué) 成分分析、顯微形貌察、微觀觀結(jié)構(gòu)測(cè)定等方面都起著重要的 作用。最初的顯微鏡產(chǎn)生于十六世紀(jì)末期，17世紀(jì)中期，英國(guó) 科學(xué)家虎克制做了最早的復(fù)式顯微鏡在生理學(xué)研究方面有重大

7、 突破1, 1684年惠更斯設(shè)計(jì)了現(xiàn)今仍在使用的生物顯微鏡，當(dāng) 時(shí)的顯微鏡物鏡沒(méi)有校正像差，鏡徑又小，球面像差和色像差 嚴(yán)重。在復(fù)式顯微鏡發(fā)明之后的兩個(gè)世紀(jì)中，盡管許多科學(xué)家 和光學(xué)制造商作了許多的努力，他們用不同透鏡及不同光闌的 組合進(jìn)行了種種嘗試，卻收效甚微2。1824年法國(guó)物理學(xué)家 塞利格提出了一個(gè)為高倍顯微鏡消色差的方法即把幾個(gè)低倍消 色差物鏡用螺旋推動(dòng)以聯(lián)合使用，這樣就可避免制造十分短的 焦距的物鏡而又能得到較高倍率的消色差物鏡。根據(jù)塞利格的 方法，薛瓦利埃于1825年制成了消色差顯微鏡；C.薛瓦利埃于 1834年制成的消色差顯微鏡還附有反射物鏡、聚光鏡及偏光元 件等3 ； 1855

8、年意大利的阿米奇設(shè)計(jì)成功一種消色的中倍顯微 鏡物鏡；1878年德國(guó)物理學(xué)家阿貝成功設(shè)計(jì)制成油浸顯微鏡， 顯微鏡的分辨本領(lǐng)已達(dá)到其理論極限(0. 2um),而且在照明系 統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面這時(shí)都已達(dá)到合理的定型4。在阿貝的 現(xiàn)代顯微鏡制成之后，光學(xué)顯微鏡并未停止發(fā)展。除了阿貝在 18 86年制成復(fù)消色差物鏡和伯格霍爾德于1950年設(shè)計(jì)成功平 場(chǎng)復(fù)消色差物鏡之外，20世紀(jì)的前半個(gè)世紀(jì)里，光學(xué)顯微鏡有 如下兩個(gè)方面的發(fā)展。第一，為了觀察生物標(biāo)本的不同結(jié)構(gòu)， 提供多方面信息而設(shè)計(jì)成(或改良)一些特種顯微鏡，如喑場(chǎng) 顯微鏡、偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、離心顯微鏡等。這一類(lèi)顯 微鏡我們稱之為第一類(lèi)特種顯微鏡。

9、第二，僅為工作上的方便 而設(shè)計(jì)成的一些特種顯微鏡，如倒置顯微鏡、體視顯微鏡、袖 珍顯微鏡等。這一類(lèi)顯微鏡，我們稱之為第二類(lèi)特種顯微鏡。在20世紀(jì)后半個(gè)世紀(jì)中，還將激光和電子技術(shù)引人光學(xué)顯 微鏡中。1932年Rushka等人根據(jù)電子光學(xué)與光學(xué)的相似性， 并參考光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)，在德國(guó)柏林大學(xué)成功制造了第一臺(tái) 電子顯微鏡5。1952年，諾馬斯基發(fā)明了干涉相位差光學(xué)系 統(tǒng)。1978年，一種新的物理探測(cè)系統(tǒng)掃描隧道顯微鏡被德國(guó)學(xué)者賓尼和瑞士學(xué)者羅雷爾系統(tǒng)地論證了，并于1982年成 功制造。這種新型的顯微鏡，橫向分辨率達(dá)到0. 01 nm,縱向分 辨率達(dá)到0. OOlnm，使單個(gè)原子的操作成為了可能。在

10、掃描隧道 顯微鏡(STM)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個(gè)領(lǐng)域的新要求，發(fā)明了一 系列新型顯微鏡6。如原子力顯微鏡(AFM)、激光力顯微鏡 (LFM)、掃描熱顯微鏡、掃描隧道電位儀(STP)等等。光學(xué)儀器 的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞決定著光學(xué) 儀器整體質(zhì)量的好壞，二百多年來(lái)，人類(lèi)一直以不斷提高顯微 鏡分辨本領(lǐng)而努力創(chuàng)新，一個(gè)高質(zhì)量的的成像光學(xué)系統(tǒng)是要靠 好的光學(xué)設(shè)計(jì)去完成，現(xiàn)今的顯微物鏡存在局限性，視場(chǎng)小、 場(chǎng)曲和色差比較嚴(yán)重，因而研究顯微物鏡設(shè)計(jì)對(duì)于改進(jìn)成像質(zhì) 量具有實(shí)際意義。本文以ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)，利用 ZEMAX的像差分析功能和自動(dòng)優(yōu)化功能并利用縮放法對(duì)成像質(zhì)量 進(jìn)行

11、改善。2、研究意義光學(xué)儀器的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好 壞決定著光學(xué)儀器整體質(zhì)量的好壞。光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用相當(dāng)廣 泛，在諸多專業(yè)領(lǐng)域需要特定的專用光學(xué)顯微鏡，但由于現(xiàn)今 的顯微物鏡存在局限性，視場(chǎng)小、場(chǎng)曲和色差比較嚴(yán)重，因而 研究顯微物鏡設(shè)計(jì)對(duì)于改進(jìn)成像質(zhì)量具有實(shí)際意義?；赯EMAX 軟件設(shè)計(jì)出的顯微物鏡具有分辨率高、改善色差、視場(chǎng)大等優(yōu) 點(diǎn)，對(duì)當(dāng)今的科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有著重要的意 義。3、主要內(nèi)容、重點(diǎn)與難點(diǎn)3.1主要內(nèi)容1、初步了解數(shù)值孔徑（NA）、放大率（B ）和線視場(chǎng)（y）是 三個(gè)表征顯微物鏡性能的主要參數(shù)；2、運(yùn)用“縮放法”得到要求的設(shè)計(jì)參數(shù)，再利用ZEMAX

12、的光學(xué) 系統(tǒng)像差分析功能，自動(dòng)優(yōu)化進(jìn)行像差校正，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目 的和要求。3.2課題重點(diǎn)本論文的重點(diǎn)在于初始結(jié)構(gòu)的選型，關(guān)系到整個(gè)顯微物鏡設(shè)計(jì) 的成敗。3. 3課題難點(diǎn)本論文的難點(diǎn)在于像質(zhì)的評(píng)價(jià)分析，在做論文過(guò)程中我們要解 決這個(gè)難點(diǎn)以達(dá)到顯微鏡設(shè)計(jì)要求改善成像。4. 本課題的研究方法本課題運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、圖書(shū)館文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)地調(diào)研相結(jié) 合的方法，了解國(guó)內(nèi)外關(guān)于顯微物鏡的研究現(xiàn)狀。另外結(jié)合光 學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的顯微物鏡利用縮放法進(jìn)行不 同程度地改善像差以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，達(dá)到滿意的成像質(zhì)量。5、預(yù)期成果8000字以內(nèi)的調(diào)研報(bào)告或?qū)W術(shù)論文，期望顯微物鏡設(shè)計(jì)方面有 更新創(chuàng)意。6、參考

13、文獻(xiàn)1 ：王莉、蔣洪、孫麗麗；顯微鏡的發(fā)展綜述，岀版源科技 信息,2009(11)；2 :唐玄之、李明；光學(xué)顯微鏡簡(jiǎn)史；物理1995年第7期 439-444 頁(yè)；3 ：王付銀；淺談攝影之為藝術(shù)；山西師大學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué) 版,2011 (S2) : 116-118 頁(yè)；M：朱星；近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡；現(xiàn)代科學(xué)儀器，1998 (Z1) : 84-89 頁(yè)；5:高紹璞，陳彥，張震東；現(xiàn)代生物顯微技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,31（2） : 243-245頁(yè)；6馬紅偉；顯微鏡在表面分析技術(shù)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì);完成項(xiàng)目的條件和保證1. 負(fù)責(zé)人和主要成員曾參與或組織完成過(guò)哪些科技創(chuàng)新活動(dòng)， 獲得過(guò)哪些成果（只列舉活動(dòng)及成果名稱，不得出現(xiàn)姓名）；2. 完成本課題的研究能力及時(shí)間保證。負(fù)責(zé)人和主要成員曾參與安徽機(jī)械工業(yè)學(xué)校進(jìn)行金工實(shí) 習(xí)、大學(xué)生野外無(wú)線電測(cè)向活動(dòng)社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，取得了較好成 績(jī)。本課題組成員動(dòng)手能力較強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、運(yùn)用 所學(xué)過(guò)的知識(shí)和技能解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力 較咼。本小組成員全部為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)在讀本科生， 對(duì)工程光學(xué)、模擬電子技術(shù)，信息光學(xué)，光電