基于ZEMAX的显微物镜设计演示教学

1、基于ZEMAX的显微物镜设计学院编号：大学生课外科技实践创新活动基金项目申请书（自然科学类）课题名称：基于ZEMAX的显微物镜设计申请人孙冬指导教师张科所在系电子工程学院光电信息科学与工程系起止年月:2016年4月-2017年3月填报日期:2016年4月21日淮南师范学院科研处二O三年制、编写申请书之前请认真阅读本填表说明。申请书所列内容必须实事求是，逐项认真填写，表达要明确严 谨。对于填写内容含糊不清、不合要求、手续不全的申请 书不予受理。二、课题申请书作为课题执行过程中检查、验收等管 理活动的重要依据文件，由课题负责人填写。三、学院编号不要填写，由科研处统一编排。四、3-4页不得岀现申请人

2、的任何背景资料，否则作废。3-4页与前面的表格分开装订。五、申请书中有关栏目不敷填写时可另附页说明。申请人承诺我保证如实填写本表格各项内容。如果获得立项，承 诺以本表为有约束力的协议，遵守我院大学生科技实践创 新活动基金管理办法，认真开展研究工作，取得预期成 果。如果成果发表或发布，我将注明是淮南师范学院学生 科技创新基金支持项目。申请人（签字）：年 月 日申请人姓 名孙冬性别女民汉 族仪出生 日期1998. 09 11政治面貌团员所在系电子工程 学院专业光电信息 科学与工 程专业学号1406020219学校住址淮南市田家庵区 泉山校区E-mailSundong_1314126. com联系电

3、 要 参 加 者姓名性别出生年 月所在系专业目工 项分签名孙冬女1998. 09. 11电子工 程学院光电信息 科学与工 程专业实验 操作王琪女1996. 811电子工 程学院光电信息 科学与工 程专业实验 操作桂杰玉女1996. 9.28电子工 程学院光电信息 科学与工 程专业理论 分析指导教师性学职苗/亠研究专吐玄比、壬姓名别位称单位长联系电话男硕士助理 实验师电工学院激光张导教师意见:签名:年 月 日 项目负责人所在单位审核意见申请书所填写的内容是否属实；本系能否提供完成本项目所需的时间和条件；本系是否同意本项目的管理任务和信誉保证。单

4、位公章：单位负责人签名:以上内容和下面内容分开装订。以下申报页不得出现申请人的背景材料，否则作废,学院编号课题名称基于ZEMAX的显微物镜设计起止时间2015 年 4 月-2016 年3月预期成果8000字左右学术论文项目研究内容摘要（不超过400字）显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、 原位成像等特点，被广泛用于电子工业、半导体工业、IT产 业、医疗、科研等领域。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像，因而直接影响成像的质量和各 项光学技术参数，对显微镜系统的成像能力起到决定性作用， 是衡量一台显微镜质量的首要标准。现代显微物镜仍存在很大 的局限性，其视

5、场小、数值孔径和视场中心的分辨率与理论值之 间还有一定的差距，因此继续增大显微物镜视场与提高视场边 缘成彖质量是十分必要的。ZEMAX是一套是将实际光学系统的 设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的光学设计 仿真软件，能够在光学系统设计中实现建模、模拟、分析和其 他的辅助功能。本研究工作主要采用ZEMAX软件，将已有的显 微物镜结构型式作为初始结构进行像差校正，利用缩放法设计 平场显微物镜，并充分利用ZEMAX的光学系统像差分析功能， 对原有物镜系统进行全面的像差分析、优化，观察各参数变动 对系统结构变化和像差、点列图、光学传递函数变化的影响； 然后综合分析各个影响较大的参数，选其作为

6、优化变量，再由ZMAX进行自动优化，进而完成对显微物镜设计工作。关键词（3-5显微物镜 ZEMAX光学设计缩放法像个）差校正课题设计论证（可附页）1同类课题国内外研究状况；2本课题研究的意义（理论意义 和实践意义）；3本课题拟研究的主要内容、重点和难点；4.本课题的研究方法；5预期的成果；6相关参考文献。1、国内外研究状况显微技术在各个领域发挥了重要的作用，至今显微镜仍广 泛应用于科学领域，应用前景很好，在物质微小区域进行化学 成分分析、显微形貌察、微观观结构测定等方面都起着重要的 作用。最初的显微镜产生于十六世纪末期，17世纪中期，英国 科学家虎克制做了最早的复式显微镜在生理学研究方面有重大

7、 突破1, 1684年惠更斯设计了现今仍在使用的生物显微镜，当 时的显微镜物镜没有校正像差，镜径又小，球面像差和色像差 严重。在复式显微镜发明之后的两个世纪中，尽管许多科学家 和光学制造商作了许多的努力，他们用不同透镜及不同光阑的 组合进行了种种尝试，却收效甚微2。1824年法国物理学家 塞利格提出了一个为高倍显微镜消色差的方法即把几个低倍消 色差物镜用螺旋推动以联合使用，这样就可避免制造十分短的 焦距的物镜而又能得到较高倍率的消色差物镜。根据塞利格的 方法，薛瓦利埃于1825年制成了消色差显微镜；C.薛瓦利埃于 1834年制成的消色差显微镜还附有反射物镜、聚光镜及偏光元 件等3 ； 1855

8、年意大利的阿米奇设计成功一种消色的中倍显微 镜物镜；1878年德国物理学家阿贝成功设计制成油浸显微镜， 显微镜的分辨本领已达到其理论极限(0. 2um),而且在照明系 统和机械结构等方面这时都已达到合理的定型4。在阿贝的 现代显微镜制成之后，光学显微镜并未停止发展。除了阿贝在 18 86年制成复消色差物镜和伯格霍尔德于1950年设计成功平 场复消色差物镜之外，20世纪的前半个世纪里，光学显微镜有 如下两个方面的发展。第一，为了观察生物标本的不同结构， 提供多方面信息而设计成(或改良)一些特种显微镜，如喑场 显微镜、偏光显微镜、荧光显微镜、离心显微镜等。这一类显 微镜我们称之为第一类特种显微镜。

9、第二，仅为工作上的方便 而设计成的一些特种显微镜，如倒置显微镜、体视显微镜、袖 珍显微镜等。这一类显微镜，我们称之为第二类特种显微镜。在20世纪后半个世纪中，还将激光和电子技术引人光学显 微镜中。1932年Rushka等人根据电子光学与光学的相似性， 并参考光学显微镜的结构，在德国柏林大学成功制造了第一台 电子显微镜5。1952年，诺马斯基发明了干涉相位差光学系 统。1978年，一种新的物理探测系统扫描隧道显微镜被德国学者宾尼和瑞士学者罗雷尔系统地论证了，并于1982年成 功制造。这种新型的显微镜，横向分辨率达到0. 01 nm,纵向分 辨率达到0. OOlnm，使单个原子的操作成为了可能。在

10、扫描隧道 显微镜(STM)原理的基础上，结合各个领域的新要求，发明了一 系列新型显微镜6。如原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜 (LFM)、扫描热显微镜、扫描隧道电位仪(STP)等等。光学仪器 的核心部分是光学系统，光学系统成像质量的好坏决定着光学 仪器整体质量的好坏，二百多年来，人类一直以不断提高显微 镜分辨本领而努力创新，一个高质量的的成像光学系统是要靠 好的光学设计去完成，现今的显微物镜存在局限性，视场小、 场曲和色差比较严重，因而研究显微物镜设计对于改进成像质 量具有实际意义。本文以ZEMAX光学设计软件为基础，利用 ZEMAX的像差分析功能和自动优化功能并利用缩放法对成像质量 进行

11、改善。2、研究意义光学仪器的核心部分是光学系统，光学系统成像质量的好 坏决定着光学仪器整体质量的好坏。光学显微镜的应用相当广 泛，在诸多专业领域需要特定的专用光学显微镜，但由于现今 的显微物镜存在局限性，视场小、场曲和色差比较严重，因而 研究显微物镜设计对于改进成像质量具有实际意义。基于ZEMAX 软件设计出的显微物镜具有分辨率高、改善色差、视场大等优 点，对当今的科研、生产、医疗等众多领域都有着重要的意 义。3、主要内容、重点与难点3.1主要内容1、初步了解数值孔径（NA）、放大率（B ）和线视场（y）是 三个表征显微物镜性能的主要参数；2、运用“缩放法”得到要求的设计参数，再利用ZEMAX

12、的光学 系统像差分析功能，自动优化进行像差校正，最终达到设计目 的和要求。3.2课题重点本论文的重点在于初始结构的选型，关系到整个显微物镜设计 的成败。3. 3课题难点本论文的难点在于像质的评价分析，在做论文过程中我们要解 决这个难点以达到显微镜设计要求改善成像。4. 本课题的研究方法本课题运用所学知识、图书馆文献、网络资源和实地调研相结 合的方法，了解国内外关于显微物镜的研究现状。另外结合光 学设计软件ZEMAX与技术实验室的显微物镜利用缩放法进行不 同程度地改善像差以达到设计要求，达到满意的成像质量。5、预期成果8000字以内的调研报告或学术论文，期望显微物镜设计方面有 更新创意。6、参考

13、文献1 ：王莉、蒋洪、孙丽丽；显微镜的发展综述，岀版源科技 信息,2009(11)；2 :唐玄之、李明；光学显微镜简史；物理1995年第7期 439-444 页；3 ：王付银；浅谈摄影之为艺术；山西师大学报:社会科学 版,2011 (S2) : 116-118 页；M：朱星；近场光学显微镜；现代科学仪器，1998 (Z1) : 84-89 页；5:高绍璞，陈彦，张震东；现代生物显微技术的现状与发展趋势；安徽农业科学,2003,31（2） : 243-245页；6马红伟；显微镜在表面分析技术中的应用及发展趋势;完成项目的条件和保证1. 负责人和主要成员曾参与或组织完成过哪些科技创新活动， 获得过哪些成果（只列举活动及成果名称，不得出现姓名）；2. 完成本课题的研究能力及时间保证。负责人和主要成员曾参与安徽机械工业学校进行金工实 习、大学生野外无线电测向活动社会实践活动，取得了较好成 绩。本课题组成员动手能力较强，发现问题、分析问题、运用 所学过的知识和技能解决问题的能力以及创新意识和创新能力 较咼。本小组成员全部为光电信息科学与工程专业在读本科生， 对工程光学、模拟电子技术，信息光学，光电