25×显微镜物镜设计

1、课程设计任务书学生姓名：陈天宇专业班级：电子科学与技术0703班指导教师：李成军工作单位：信息工程学院题目：25 X显微镜物镜设计初始条件：计算机、zemax软件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25X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 X,物方数值孔径NA=0.4,物高为1mn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

2、绘图规范。时间安排：2010628做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2010628-6.30 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:系主任(或责任教师)签名:目录摘要.ABSTRACTII.1绪论12物镜设计方案23物镜设计参数及镜片选择33.1物镜的数值孔径33.2物镜的鉴别率33.3物镜的有效放大倍数 43.4垂直鉴别率53.5实际参数确定 54 25X显微镜物镜光学系统仿真过程 64.1选择初始结构并设置参数 64.

3、2自动优化64.3物镜的光线像差(Ray Aberration )分析84.4物镜的波像均方差(OPD)分析94.5物镜的光学传递函数(MTF)分析94.6最终仿真参数分析 105心得体会116参考文献12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

4、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ZEMAXt学设计软件，设计出25X显微镜物镜光学系统。经过计 算机优化一系统分析一微调参数一改变参数变量一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；ZEMA；优化；光学系统AbstractThe most important objective is microscope optical components, us

5、e light was the first object, so direct relati on with little in flue nee imagi ng quality and tech ni cal parametersof the optical microscope, is the primary measure a quality sta ndard.The structure is complex, objective, becauseof poor precision calibration, metal objects from the telescope in a

6、certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requireme nts, such as close to axis.Moder n microscope objectives, it has already reached the height already n eari ng their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference

7、 has a n arrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imagi ng edge view, this study is still possible, still in the works.This class is main ly applied set ZEMAX optical desig n software, desig n and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, sy

8、stem analysis - fine-tuning parameters - cha nging parameters optimized variables - aga in after repeated process, desig ned 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

9、 a wave of varia nce, the mea n square error, optical tran smissi on fun cti on parameters, desig ned comply with the desig n requireme nts of the microscope objectives.Keywords: microscope objectives, ZEMAX, Optimizati on, Optical systems1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

10、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

11、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。2物镜设计方案25X显微镜物镜属于中倍显微物镜，通常由两个分

12、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 6X至30X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

13、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：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“ NA ”表示（即Numerical Aperture ）。根据理论的推导得出：N.A.=n.si nu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.

14、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（S S）（S, S）等衍射光。（a）是以空气为介质（又称干系物镜）的情况，只有（ S S）内的衍射光可以通过物镜，（S1 S）以外的衍射光如（S，S）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，S）甚至（S，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

15、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。瑞利（Rayleigh ）提出一个推测（又称瑞利准则）：认为当 A衍射花样的第一极小 值正好落在A衍射花样的极大值时，A、A是可以分辨的，将此时定出的两物点距

16、离 A、 A2作为光学统的分辨极限。9 0称为极限分辨角。不言而喻，当99 0时是完全可分辨的， 9 f 尸 C *1 % 减.0 D_： 3! f aCB0 Hand a二 VC-32000Z,-6L35Z593597QE口d. 口 BDOGOa.口aisp10GrandaEd1.ooooooA 991011丄 xLiya B LTOO-OOA -614ISU 环询0nLG7fi3InfinityD.ISD0fl3B在用ZEMA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

17、及像差如图4-1所示。从MT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EditorsMerit Fun ction ，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 ToolsDefaultMerit Function,设置Optimization and Referenee为 RM&Wavefront Centroid

18、；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：SlEt:7j!TeCcraa 如 tRadius1.启密專Sejti&Di aTrste rOBJ三 T, Mid曲.InriziltyL6E.3=3CO0li.socotiz1gtajddz工 dV2.029529-ZT?=a.ndsird：-a前 7 00H 374223StandsE住10.7341103oJQ(?a壬阳.MaEEEStandAzdlS*2T17B7V2.340000ZK$1. G99TS17*LELldxld-S-2B7M37i.l3C300ZT71.491143d在七Et二idz工di-55.

19、09529C.32X002.41B47C=aradjSird：Vc.aaaaaoZEAF-j.29d3CL0Zxandisid；2-B3Z3T3i.ajocoofj_ 3253 =-1C,173CC0K3s苗MGIr.fi nityG.OMGOO:IMAFtWr袖Irf Litlpo soofloou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。弓耶网堆皆豊MirPLOTPaLflXWftTIC CIFPEACTIOli 冋LETNO TFTUEmg e aewHIPVri iCR

20、LE t IQ m 氐訓林 0汕展/.we a麻曰5旳幻TITLEfhj ill a aia3RTA F-A弗& IQ A皿样 册电輸冷SwVTWWMil *伸 OI；UFATLDh 羡 1cuwaivMai l ill z CQHFEaLMlCCiq OF I.图4-1初始结构各参数仿真图I轴冷JE常 朋 FUN PIQTPgYCMWWTTC DPTOCTTOJ XTfLENS rfE 們 TIRE.THU ILL B MLEm(ru-:礼E 戈刃曲 n：CF7i5 - 申匸*钩LEH5 HFS hp； TITIE Tfij lUl fi 209EDHTH F庐 E|Tfl 0.需需:OKM

21、 nmo |i|4l JEtmc virmorw-n f l 事CaMFEXSiRTZCM 1 QF 1；.渝户阳湖希 I 5 图4-2自动优化后各参数仿真图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 曲线在丫方向视场角度为0度

22、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。TPfiMSkERSE启戶忖 PLOTNO T1TU匚订匚口 丁UL 72010MHX.LMLJM SCHLb ； 昌.33田0 4StD , S6 &0 白三占M 汀【卅WOKME Rf W lh -JKCONFIGLifcMTIOM L OF 1图4-3物镜的光线特性曲线图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

23、波像均方差数值图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。POLYCHROMATIC OIFFRRCriONhtfLENS HAS FID TITLE .FHU JUL B 2D1BFTTH FOR 3.TO 0 -6S63 MECRONS，c：vrion; rn zttdchidciriP. n x d 曲.： GONFIGURnriON I OF 1图4-5照相物镜的MTF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. 6最终仿真参数分析原始物高设定如下:Use X-FieldY-FiddWeight VDX7V7IS|i.oocT175|l.(JOOO1251 500010.000000.000000.000000.373330 . Dl2.49-0494S.4GE2411.0733最终仿真参数如下:Space 垃益