25×显微镜物镜设计.doc

武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 题题 目目 25 显微镜物镜设计 初始条件 初始条件 计算机 zemax 软件 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要求 1 课程设计工作量 2 周 技术要求 1 学习 zemax 软件 2 设计一个 25 显微镜物镜 要求所设计的系统成像清晰 显微物镜放大倍率为 25 物方数值孔径 NA 0 4 物高为 1mm 左右 3 对所设计的相机光学系统进行 zemax 软件仿真工作 2 查阅至少 5 篇参考文献 按 武汉理工大学课程设计工作规范 要求撰写设计报 告书 全文用 A4 纸打印 图纸应符合绘图规范 时间安排 时间安排 2010 6 28 做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明 2010 6 28 6 30 查阅相关资料 并复习所设计内容的基本理论知识 2010 7 1 7 8 学习 zemax 软件 对相机光学系统进行设计仿真工作 完成课设报告 的撰写 2010 7 9 提交课程设计报告 进行答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 2 物镜设计方案 2 3 物镜设计参数及镜片选择 3 3 1 物镜的数值孔径 3 3 2 物镜的鉴别率 3 3 3 物镜的有效放大倍数 4 3 4 垂直鉴别率 5 3 5 实际参数确定 5 4 25 显微镜物镜光学系统仿真过程 6 4 1 选择初始结构并设置参数 6 4 2 自动优化 6 4 3 物镜的光线像差 RAY ABERRATION 分析 8 4 4 物镜的波像均方差 OPD 分析 9 4 5 物镜的光学传递函数 MTF 分析 9 4 6 最终仿真参数分析 10 5 心得体会 11 6 参考文献 12 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 摘要 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 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非球面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 关键词 显微物镜 ZEMAX 优化 光学系统 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 I Abstract The most important objective is microscope optical components use light was the first 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 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 microscope objectives The view and improve the quality of imaging edge view 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 parameters 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 square error optical transmission function parameters designed comply with the design requirements of the microscope objectives Keywords microscope objectives ZEMAX Optimization Optical systems 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 0 1 绪论 Zemax 是 Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件 这一软件集成了包 括光学系统建模 光线追迹计算 像差分析 优化 公差分析等诸多功能 并通过直观 的用户界面 为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具 十几年来 研发人员 对软件不断开发和完善 每年都对软件进行更新 赋予 Zemax 更为强大的功能 因而被 广泛用在透镜设计 照明 激光束传播 光纤和其他光学技术领域中 Zemax 采用序列和非序列两种模式模拟折射 反射 衍射的光线追迹 序列光线追迹 主要用于传统的成像系统设计 如照相系统 望远系统 显微系统等 这一模式下 Zemax 以面作为对象来构建一个光学系统模型 每一表面的位置由它相对于前一表面的坐 标来确定 光线从物平面开始 按照表面的先后顺序进行追迹 追迹速度很快 许多复 杂的棱镜系统 照明系统 微反射镜 导光管 非成像系统或复杂形状的物体则需采用 非序列模式来进行系统建模 这种模式下 Zemax 以物体作为对象 光线按照物理规则 沿着自然可实现的路径进行追迹 可按任意顺序入射到任意一组物体上 也可以重复入 射到同一物体上 直到被物体拦截 与序列模式相比 非序列光线追迹能够对光线传播 进行更为细节的分析 但此模式下 由于分析的光线多 计算速度较慢 在一些较为复杂的光学系统中 可以同时使用序列和非序列光线追迹 根据需要 可以采用序列光学表面与任意形状 方向或位置的非序列组件进行结合 共同形成一个 系统结构 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 1 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 相距远大于物距 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 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 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 案的有点是 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 其总设计图如下 图 1 25 显微镜物镜设计方案图 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 2 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 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 有两个提高数字孔径的途径 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 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 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 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 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 3 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 0称为极限分辨角 不言而喻 当 0时是完全可 分辨的 0时是不可分辨的 由圆孔衍射理论得到 0 1 22 D 式中 入射光波长 D 入射光的最大允许孔径 透镜直径 因为 0很小 所以由图 2 4 得 d 0 1 22 S 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 各 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 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 5 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 4400A 则可使分辨能力提高 25 左右 3 3 物镜的有效放大倍数 在保证物镜的鉴别率充分利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 d m 0 15 0 30 M 0 15 0 30 d 0 15 0 30 N A 0 5 0 3 0 6N A 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 由此可知 物镜的有效放大倍数由物镜的数值孔径及入射光波长决定 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 4 3 4 垂直鉴别率 垂直鉴别率又称景深 定义为在固定相点的情况下 成象面沿轴向移动仍能保持图 象清晰的范围 表征物镜对应位于不同平面上目的物细节能否清晰成象的一个性质 垂 直鉴别率的大小由满意成象的平面的两个极限位置 位于聚焦平面之前和之后 间的距 离来量度 如果人跟分辨能力为 0 15 0 30mm n 为目的物所在介质的折射率 N A 为物镜 的数值孔径 M 为显微镜的放大倍数 则垂直鉴别率 h 可由下式求出 h n N A M 0 15 0 30 mm 由上式可知 如果要求较大的垂直鉴别率 最好选用数值孔径小的物镜 或减少孔 径光阑以缩小物镜的工作孔径 这样就不可避免降低了显微镜的分辨能力 这两个矛盾 因素 只能被具体情况决定取舍 3 5 实际参数确定 按照设计要求 物镜放大倍数为 25 数值孔径 NA 0 4 通过以上几个参数的计算 计算出理论上的数值并确定符合数值要求的镜片 初步确定第一个双胶合透镜的初始结 构由 ZF3 与 K9 组合 第二个双胶合透镜的初始结构由 ZF3 与 ZK9 组合 求出双胶合透镜 的初始结构之后 就可以进行光线追迹 相差计算和平衡了 如果的得到不满意的结果 可重新选择玻璃对 再重复上面的计算 达到设计要求 也可以采用自动设计程序作进 一步校正 其结果可能会更好 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 5 4 25 显微镜物镜光学系统仿真过程 4 1 选择初始结构并设置参数 显微镜物镜的初始结构选择如下 在用ZEMAX软件进行设计时 将显微镜倒置设计 设置参数如下 垂直放大率为 0 04 物方数值孔径为0 016 物高为25mm 物方半视场高度为12 5mm 此时该系统的结 构 传函以及像差如图4 1所示 从MTF图和像差图可以看出该显微物镜的成像质量还不 是很好 需要对其进行自动优化校正 4 2 自动优化 首先 建立自动优化函数 具体过程如下 选择Editors Merit Function 弹出 Merit Function Editor 对话框 在Type栏中输入EFFL 并将Target定为6 930840 Weight值取1 0 其次 选择Merit Function Editor对话框工具栏中的Tools Default Merit Function 设置Optimization and Reference为RMS Wavefront Centroid 最后 选择 opt 按钮进行自动优化 自动优化后 显微镜物镜结构的数据如下 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 6 经过自动优化后的显微物镜的结构 传函以及像差如图4 2所示 此时 像方数值孔 径NA 0 37333 传递函数接近于衍射极限 成像质量较好 基本上达到设计的要求 图4 1 初始结构各参数仿真图 图4 2 自动优化后各参数仿真图 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 7 4 3 物镜的光线像差 Ray Aberration 分析 通过光线特性曲线来分析光线像差 以显示关于入瞳坐标函数的光线像差 本次设 计的物镜系统的光线特性曲线如图4 3所示 图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差 指的是以主光线为基准 左边 的图形中以 EY 代替 Y 这是Y方向的像差 有时也叫做子午的 或YZ面的 右图以 EX 代替 X 有时也叫做弧矢的 或XZ面的 从此光学特性曲线可以看出 光线特性 曲线在Y方向视场角度为0度时通过原点的倾斜不大 表示离焦现象不明显 基本符合设 计要求 图 4 3 物镜的光线特性曲线图 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 8 4 4 物镜的波像均方差 OPD 分析 在接近衍射极限的光学系统中 波像均方差是像质的敏感函数 要求照相物镜聚焦精确 像质好 必须对球差 慧差和像散进行校正 从而使得波像均方差在一定的允许范围内 一般要求物镜的波像均方差在 0 05 以下 图 4 4 所示为照相物镜的波像均方差数值图 图4 4 照相物镜的OPD图 4 5 物镜的光学传递函数 MTF 分析 光学系统是线性系统 而且在一定条件下还是线性空间不变系统 因而可以用线性 系统理论来研究它的性能 把输入信息分解成各种空间频率分量 研究系统的空间频率 传递特性即光学传递函数 它能全面反映光学系统的成像性质 FFTMTF是用快速傅立叶 变化 算法计算的MTF 是一种物理传递函数 即考虑光学系统的衍射效应 一般的成像 光学系统都可用它来评价 此时的传递函数接近于衍射极限 成像质量好 图4 5为照相 物镜的光学传递函数图 武汉理工大学 光电子应用 课程设计说明书 9 图4 5 照相物镜的MTF图 由以上三个参数分析可知 所设计物镜基本符合本次设计的要求 4 最终仿真参数分析 原始物高设定如下 最终仿真参数如下 由图可看出 1 物方数值孔径NA 0 37333 与要求的0 4很接近 2 初始设定的物高为12 5 仿真所得像高为0 497 则放大倍数m 1 25 0 497