CODEV-显微物镜的设计

Workshop9BPR!开始光束传输分析BINGAUSS0.2！根据干涉图文件，文件名为GAUSS.INT;定义输入光束，其归一化半径为0.2mmNRD15!Thegridincrementinlensunitsattheobjectsurfaceisequalto(2*file_normalization_radius)/(NRD-1)=0.4/14光束截面的光线数为15TGR256!Setthenumberofpointsinthedatagridto256.DBPNFPSO..I!Diffraction-basedbeampropagationusingthenearfield!propagatorfromtheobjectsurfacetotheimagesurface.PLOINTSIN!Turnoffobliqueprojectionplotsgeneratedbydefault.DISINTS1!Generatecolorrasterplotofbeamintensityatfirstcylinder.DISINTS3!Generatecolorrasterplotofbeamintensityatsecondcylinder.DISINTS5..I!Generatecolorrasterplotsofbeamintensityat200and400mm.RANCOLRGB111!Usemonochromaticcolorrampfromblacktowhiteinrasterplots.GO2010-6-12显微镜物镜的设计12010-6-12显微镜物镜的设计2L09:显微物镜的设计2010-6-12显微镜物镜的设计3显微物镜的主要特性•显微物镜的物方视场：2y=2y’/β(β是物镜的放大率，像方视场2y’被镜筒直径所限制(是一定值,一般为18mm，20mm，22mm)，•显微物镜的数值孔径：应该与物镜的放大率匹配，并由它直接决定分辨率。它也决定了镜头结构和校正象差的复杂程度。•像差：大孔径小视场，1）必然产生高级球差同高级色差。2）显微镜的物镜和目镜都要互换使用，设计时，一般不考虑物镜和目镜之间的像差的互相补偿，而采取分别独立校正=》》要求物镜的球差、正弦差和轴向色差都为0。2010-6-12显微镜物镜的设计4显微镜物镜系列的特性分析•显微镜物镜基本参数及其对应的光学性能倍率10X20X40X60X100XNA0.250.500.650.8-0.851.25-1.50眼睛所能分开的两点间距（明视距离）0.001120.000560.0004310.000350.000224线对/mm446892116014282232景深(um)81.60.760.410.16工作距离(mm)6.53.20.480.250.12010-6-12显微镜物镜的设计5显微物镜的基本类型•根据校正象差的情况不同，分四大类：(1)消色差物镜：应用最广的一类。数值孔径比较大，至少要校正轴上点的球差、色差、慧差。由于视场很小，所以轴外像差不重点考虑。(2)复消色差物镜：主要用于显微镜以及显微照相中，它要求在消色差物镜的基础上严格校正轴上点的球差、色差、慧差，同时要求校正二级光谱和色球差。(3)平场物镜：主要用于显微照相和显微投影。在消色差物镜的基础上要求严格地校正场曲。(4)平场复消色差物镜：在复消色差物镜的基础上校正了场曲。此类物镜性能最为优良。(5)反射式和折反式物镜：特殊场合上才用。2010-6-12显微镜物镜的设计6利用荧石实现复消色差2010-6-12显微镜物镜的设计74X物镜基本设计要求•低倍消色差显微物镜的设计：结构最简单，使用最广泛，对轴上点校正像差并满足正弦条件，同时承担的偏角deltau=u’-u≤0.15•4×，NA=0.10，•设计的共轭距=195mm，•物方线视场18/4=4.5mm，•可见光，•玻璃用BK7，SF2，4X显微物镜设计考虑•设计时倒过来设计，即从长距离共轭到短距离共轭。•放大率为1/4，EFFL=30.5832mm.•物空间NA=0.1/4＝0.025。•线视场，物高18mm(这一个值是固定的)，这样像高为4.5（倒过来）。•用一个双胶合消色差透镜。•对F，C光消色差。2010-6-12显微镜物镜的设计82010-6-12显微镜物镜的设计9用CODEV设计•一般设置：aperturetypeObjectspaceONA=INA/4=0.025。•视场Field：设置为Objectheight：0，6.3，9三个视场点。•波长为可见光：F，d，C。•因为这个镜头比较简单，所以不用找原始结构，用三个重合的曲面作为初始结构，只要保证焦距达到要求就可。2010-6-12显微镜物镜的设计10建立的初始结构•初始结构中双胶合镜头为三个曲率一样的表面，将三个曲率半径和二个厚度值设置为变量，让CODEV自己去找合适的结构。2010-6-12显微镜物镜的设计11建立缺省的优化函数2010-6-12显微镜物镜的设计12优化后的设计结果厚度比较难看，可以按自己的要求改2010-6-12显微镜物镜的设计13MTF1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION10.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0SPATIALFREQUENCY(CYCLES/MM)NewlensfromCVMACRO:cvnewlens.seqDIFFRACTIONMTF04-Sep-06DIFFRACTIONLIMITAXISTR0.7FIELD()-2.38OTR1.0FIELD()-3.40OWAVELENGTHWEIGHT656.3NM1587.6NM1486.1NM1DEFOCUSING0.000002010-6-12显微镜物镜的设计14横向像差图2010-6-12显微镜物镜的设计1510X设计要求•低倍消色差显微物镜的设计：•10×，NA=0.25，•设计的共轭距=195mm，•物方线视场18mm，这样像方为1.8mm•可见光，•玻璃用BK7，SF2的两个双胶合(Lister型中倍物镜）。2010-6-12显微镜物镜的设计16从4X直接过渡到10X优化过程还是一样的，只是RT改为0.12010-6-12显微镜物镜的设计1710X优化以后的结果1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION20406080100120140160180200SPATIALFREQUENCY(CYCLES/MM)NewlensfromCVMACRO:cvnewlens.seqDIFFRACTIONMTF20-Sep-06DIFFRACTIONLIMITAXISTR0.7FIELD()-2.19OTR1.0FIELD()-3.13OWAVELENGTHWEIGHT656.3NM1587.6NM1486.1NM1DEFOCUSING0.0000040X设计要求•高倍消色差显微物镜的设计：•40×，NA=0.65，•设计的共轭距=195mm，•物方线视场18mm，这样像方为0.45mm•可见光，•玻璃用BK7，SF2，的两个双胶合再加一片半球型透镜，第一面是平面，第二面是齐明面2010-6-12显微镜物镜的设计182010-6-12显微镜物镜的设计1910X-40X的演变•将数值孔径改为0.65/40•约定EFFL=4.72112010-6-12显微镜物镜的设计201.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION55110165220275330385440495550SPATIALFREQUENCY(CYCLES/MM)NewlensfromCVMACRO:cvnewlens.seqDIFFRACTIONMTF04-Oct-06DIFFRACTIONLIMITAXISTR0.7FIELD()-2.02OTR1.0FIELD()-2.88OWAVELENGTHWEIGHT656.3NM1587.6NM1486.1NM1DEFOCUSING0.0000040X第一次优化的结果2010-6-12显微镜物镜的设计21放开玻璃移动孔径位置再优化2010-6-12显微镜物镜的设计22MTF40X再进一步2010-6-12显微镜物镜的设计232010-6-12显微镜物镜的设计24新的MTF2010-6-12显微镜物镜的设计25由40过渡到60X2010-6-12显微镜物镜的设计2660X结构图2010-6-12显微镜物镜的设计2760X的MTF2010-6-12显微镜物镜的设计28波前编码：在光学系统的光阑面放置非球面，通过改变光学系统的波前分布，从而达到改变成像性能的目的。常见面型为三次型，典型面型峰谷值约为50个波长，即对应于引入的波像差峰谷值约为25个波长）DecodedImageDetectedImagePostdetectionProcessingDetectorPhasemaskObject波前编码系统的编码特性2010-6-12显微镜物镜的设计29WFC系统的点扩散函数对离焦不敏感普通系统的点扩散函数随离焦而变化2010-6-12显微镜物镜的设计30普通成像系统和波前编码系统的MTF和PSFWavefrontCodingMTFs0.20.40.60.81Freq.0.20.40.60.81MTFW20=2lW20=1lW20=0.5lW20=0.25lW20=0WavefrontCodingPSFW20=0W20=2λTraditionalPSFTraditionalMTFs0.20.40.60.81Freq.0.20.40.60.81MTFW20=2lW20=1lW20=0.5lW20=0.25lW20=0W20=2λW20=02010-6-12显微镜物镜的设计31Zeiss,100X,NA=1.3,Microscopy波前编码系统的解码特性波前编码的实验结果•焦距100，F#=3镜头的实验结果，FFOV＝3.5度2010-6-12显微镜物镜的设计322010-6-12显微镜物镜的设计3360X更进一步，波前编码用镜头2010-6-12显微镜物镜的设计3460X波前编码用镜头的MTF2010-6-12显微镜物镜的设计3560XFlip以后的结构引入一三次非球面2010-6-12显微镜物镜的设计36WFC的MTF60X波前编码显微镜物镜FLIP后焦点处的MTF图2010-6-12显微镜物镜的设计3760X波前编码显微镜物镜FLIP后焦点前8um处的MTF2010-6-12显微镜物镜的设计3860X波前编码显微镜物镜FLIP后焦点后8um处的MTF2010-6-12显微镜物镜的设计3960X波前编码显微镜物镜FLIP后对焦处的点列图2010-6-12显微镜物镜的设计4060X显微物镜的中间图像和解码后恢复图像60X物镜焦点前8um处的恢复图像60X物镜在焦点前8um处的中间图像原始图像2010-6-12显微镜物镜的设计4160X显微在对焦处的恢复图像60X物镜在对焦处的中间图像2010-6-12显微镜物镜的设计4260X物镜在焦点后8um处的中间图像60X物镜在焦点后8um处的恢复图像2010-6-12显微镜物镜的设计43100X显微物镜•高倍消色差显微物镜的设计：•100×，NA=1.1•设计的共轭距=195mm，EFFL＝1.9116•物方线视场18mm，这样像方为0.18mm•可见光，•在40X物镜半球面透镜后面再加入一片透镜。•优化注意点：–在优化过程中，EFFL可以由原来的4.7左右慢慢减少到1.9116。这样可以防止系统由于变化太大，陷入不能优化的情况。–孔径（物方NA）也可以慢慢增加。–当发现系统不能进行优化时，必须考虑少量渐晕（但不太大）–适当地改变一下STOP的位置，可以提高系统的性能。2010-6-12显微镜物镜的设计44100X显微物镜的参数2010-6-12显微镜物镜的设计45镜