25×显微镜物镜设计

应用光学课程设计报告姓名：刘思蔚、靳欢、张琪专业与班级：光信1班指导教师：朱亚东专业设计名称：25x显微镜物镜设计专业设计单位：天津理工大学目录摘要................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................I1绪论............................................................................................................................II2物镜设计方案............................................................................................................13物镜设计参数及镜片选择........................................................................................23.1物镜的数值孔径.............................................................................................23.2物镜的鉴别率.................................................................................................33.3物镜的有效放大倍数.....................................................................................43.4垂直鉴别率.....................................................................................................43.5实际参数确定.................................................................................................4425×显微镜物镜光学系统仿真过程........................................................................54.1选择初始结构并设置参数.............................................................................54.2自动优化.........................................................................................................54.3物镜的光线像差(RAYABERRATION)分析......................................................64.4物镜的波像均方差(OPD)分析......................................................................74.5物镜的光学传递函数(MTF)分析..................................................................84.6最终仿真参数分析.........................................................................................95心得体会..................................................................................................................106参考文献..................................................................................................................10I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AbstractThemostimportantobjectiveismicroscopeopticalcomponents,uselightwasthefirstobject,sodirectrelationwithlittleinfluenceimagingqualityandtechnicalparametersoftheopticalmicroscope,istheprimarymeasureaqualitystandard.Thestructureiscomplex,objective,becauseofpoorprecisioncalibration,metalobjectsfromthetelescopeinacertaindistanceapartandfixedlensgroups.Therearemanyspecificobjectiverequirements,suchasclosetoaxis.Modernmicroscopeobjectives,ithasalreadyreachedtheheightalreadynearingtheirlimitsnumericalaperture,viewoftheoreticalresolutionofthecenterwithlittledifferencehasanarrow-sizedmicroscopeobjectives.Theviewandimprovethequalityofimagingedgeview,thisstudyisstillpossible,stillintheworks.ThisclassismainlyappliedsetZEMAXopticaldesignsoftware,designandxmicroscopeopticalsystemaccurately.Throughcomputeroptimization,systemanalysis-fine-tuningIIparameters-changingparametersoptimizedvariables-againafterrepeatedprocess,designedtoeliminatesystemastheobjectivesandpoorasphericopticssystem,makewholediskimagereacheddiffractionlimit.Thesimulatedresultsofanalysisandevaluation,pointawaveofvariance,themeansquareerror,opticaltransmissionfunctionparameters,designedcomplywiththedesignrequirementsofthemicroscopeobjectives.Keywords:microscopeobjectives,ZEMAX,Optimization,Opticalsystems.11绪论Zemax是FocusSoftware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。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2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125×显微镜物镜设计方案图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NumericalAperture）。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