消色差显微镜的设计及性能 分析概述.docx

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消色差显微镜的设计及性能分析概述

里仁学院

消色差显微镜的设计及性能

分析

课程工程光学

学生姓名窦浩然

专业班级检测14-1

指导教师徐伟

2017年1月13日

摘要

为解决普通生物显微物镜视场小、场曲和色差严重的问题,本文利用光学软件ZEMAX设计了一款消色差显微物镜,通过合理的结构优化、光焦度分配及材料选择,使该物镜具有大视场、高数值孔径、平场复消色差的特点。

消色差物镜是常见的物镜，外壳上常有"Ach"字样，这类物镜仅能校正轴上点的位置色差（红、蓝二色）和球差（黄绿光）以及消除近轴点慧差；不能校正其它色光的色差和球差，且场曲很大。

关键词：

显微镜消色差物镜ZEMAX

目录

一.引言…………………………………………………………1

1.1国内外研究状况………………………………………1

1.2研究设计目的…………………………………………3

二.方案设计……………………………………………………3

2.1设计原理………………………………………………3

2.2器件选择与及各参数计算……………………………4

2.3原始系统参数输入及像质评价………………………6

2.4利用ZEMAX做像差优化设计…………………………11

三.总结………………………………………………………13

参考文献………………………………………………………14

一.引言

1.1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1886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，如暗场显微镜、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。

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0.01nm,纵向分辨率达到0.001nm,使单个原子的操作成为了可能。

在扫描隧道显微镜（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改善。

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象质量是十分必要的。

显微镜物镜可以有一下四种分类方式：

1．按色差校正程度分类

（1）一般消色差物镜：

这种物镜的镜头上基本都标有“Ach”代表的就是消色差设计。

（2）平场消色差物镜：

这种物镜的镜头上基本都标有PLAN，代表的就是平场消色差设计，多用于显微照相系统，适合直接用肉眼观察。

（3）半复消色差物镜：

一般带有FL字样，能校正红、兰两色的色差和球差。

这种可用于荧光观察等，是比较高级的物镜。

（4）复消色差物镜：

标有APO字样，是观察和显微照相用的一流物镜，它们的性能只受物理定律的限制。

该物镜具有优良的修正性和极其高的数值孔径，所以在观察和显微照相术方面具有最大的分辨率、色彩纯度、对比度以及图象平直度。

如奥林巴司UPLANSAPO100X/1.40OIL物镜。

1.2研究设计目的

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。

二.方案设计

2.1设计原理

消色差物镜是应用最广泛的一类显微物镜。

为了提高分辨率，它的数值孔径比较大。

因此，它至少应校正轴上点的色差，球差和正玄差。

由于它的视场很小，所以，即使对轴外象差不做重点考虑，也还能满足一般的使用要求。

这种显微镜称为消色差物镜。

显微镜的数值孔径越大，放大率越高。

在提高数值孔径过程中，首先碰到的是高级球差的校正问题，结构简单的物镜无法克服这一困难。

因此，物镜的结构随着数值孔径的增大而趋向复杂。

不同放大率和数值孔径的消色差显微物镜的结构形式。

设计一个消色差显微物镜，光学特性要求如下:

放大率=-3，数值孔径=0.1，共轭距离=195mm，物方线视场=1mm，工作距不能太小。

2.2器件选择与及各参数计算

于上述要求知，当

=-3

，NA=0.1，即物方孔径角近似为-0.1，

=-0.1，相应的象方孔径角

=-0.033，物镜的总偏角

=

-

=0.133。

通常消色差的双胶合物镜能负担的偏角小于0.15，因此透镜系统结构设计如下图：

1.求物镜的焦距、物距和像距

根据f’=βL/[（1-β）^2]

设计要求共轭距为195mm，考虑到透镜组有一定主面间隔，我们取Lmm=190，β=−3代入上式得

f’=4*190/[（1+4）^2]=35.625mm

物距l和像距l’分别为：

l=-f’（1-1/ß）=-47.5mm

l’=ß*l=142.5mm

设计显微物镜时，通常按反向光路进行设计。

因为进行系统的像差计算时，物距l是固定的，在修改系统结构时，透镜的主面位置可能发生改变，上面计算出来的物平面到主面的距离随之改变，当按正向光路计算像差时，由于|β|>1，轴向放大率则更大（α=β^2）。

因此共轭距和物镜的倍率将产生大的改变，偏离了物镜的光学特性要求。

如果按反向光路计算，对应的垂轴放大率|β|<1，轴向放大率则更小，这样就能使共轭距和倍率变化很小。

反向光路对系统的光学特性要求为：

l=-142.5mm,l’=47.5mm,

ß=1/（-3）=-0.33,sinU=0.1/（-3）=-0.033

2.原始系统结构参数的初级像差求解

（1）根据像差要求，求出P,W,C

由于显微镜的物镜和目镜都要互换使用，因此设计显微镜的物镜和目镜时，一般都不考虑它们之间像差的相互补偿，而采取分别独立校正，所以要求物镜的球差，正弦差和轴向色差都等于零，即要求

S1=S11=S1C=0

根据薄透镜系统的初级相差公式，对单个薄透镜系统有

S1=hP

S11=hzPJW=0

S1C=h2C

由以上3个方程式很容易看到P,W,C的解为：

P=W=C=0

（2）将P,W,C归化成P’,W’,C’

首先对hϕ进行归化，P’=P/（hϕ）^3,W’=W/（hϕ）^2,C’=C.f’

由于P=W=C=0，因此P’=W’=C’=0。

由于物平面位在有限距离，还要将P，W对物平面位置进行归化，根据

P’=P-u（4W+1）+u2（5+2μ）

W’=W-u（2+μ）

其中u1为

u=f’/l=35.625/-142.5=-0.25;

代入得到

P’=0.15，W’=0.675

（3）求P0，根据P0，C查表选玻璃

P0=P’-0.85（W’-0.15）^2=0.0733

根据C=0和P0=0.0733查附表2选玻璃，对显微物镜，在反向光路的情形，一般去冕玻璃在前。

得到最优玻璃组合：

BaK7:

n1=1.5688V1=56

ZF3:

n2=1.7172V2=29.5

根据插值法得到：

P0=0.11,Q0=-4.3

（4）求半径

Φ1=（C-1/V2）/（1/V1-1/V2）=2.113

Φ2=1-Φ1=-1.113

Q=Q0（W’-015）/1.67=-4.614

求得曲率：

1/r2=Φ1+Q=-2.501;

1/r1=Φ1/（n1-1）+1/r2=1.214;

1/r3=1/r2-Φ2/（n2-1）=-0.949

按焦距f'=35.625mm缩放半径得到：

r1=35.625/1.214=29.3451mm

r2=35.625/-2.501=-14.2443mm

r3=35.625/-0.949=-37.5395mm

整个物镜的参数为：

l=142.5,y=-10,sinU=-0.033,lz=0。

2.3原始系统参数输入及像质评价

在GeneralLensData中，输入入瞳直径为20，采用中国玻璃库。

视场选择0、0.021、0.03三个视场，波长选择“SelectF，d，C”。

由上述计算可知，原始系统的参数输入如下：

物距为142.5mm，由于透镜厚度未知，可将双胶合物镜的正透镜设为边缘厚度0.1

自动求解，即加注后标E，如上图所示。

输入各表面结构参数以及玻璃材料之后，得到光学系统的二维结构图，点列图如下所示：

从图中可看出，系统成像质量较差，需要优化

2.4利用ZEMAX做像差优化设计

下面利用ZEMAX的自动优化功能做像差优化设计，自变量选择所有的半径（r1,r2,r3）并将其设为变量V。

评价函数采用DefaultMeritFunction中默认的操作数，加入的操作数有焦距EFFL，将目标值Targets设为35.625，权重Weight设为1。

轴向放大率PMAG，目标值为0.33，权重也为1。

由于要保证物镜的共轭距离190，因此加入控制系统长度的操作数TOTR，此操作数代表系统第一表面到像面距离，由于物距已固定为142.5mm，因此将TOTR目标值设为195-142.5=52.5mm，权重也设为1。

此外，要控制物镜的色差，加入操作数AXCL，值设为0，权重为1。

然后使用Optimization自动优化，得到数据如下：

优化后系统的二维结构图和点列图如下：

三.总结

1、要完成一个简单光学镜头的设计任务，首先需要根据理想光学系统的知识计算出光学系统的外形尺寸，其次根据像差的知识对镜头参数进行估算，并根据估算结果选择玻璃型号以及计算镜片参数，最后通过计算机仿真设计出的镜头，并使用计算机进行优化设计，以达到更理想的效果。

2、在使用计算机进行优化设计之前，如果玻璃参数选择错误，无论如何优化，可能都无法达到设计要求。

3.从图中可看出系统点列图的均方根半径已经有所改善，但是几个操作数实际值距目标值还有一定距离，需要继续优化改进。

4、对于显微镜系统的特殊结构以及特殊应用，其物镜也有不同的结构要求。

由于本次设计的显微镜物镜的放大倍率是10，数值孔径为20mm，由于数值孔径相对较大，所以物镜的孔径就会增大，那么和孔径相关的球差也会大大增加，所以最终设计的初始结构采用的是两对双胶合透镜组合的方式，这样做的好处在于可以很好的矫正球差以及慧差。

提高成像的质量。

结构参数嵌入到软件中，在光学软件ZEMAX里做了验证，验证结果符合望远镜物镜的要求，成像质量也可以。

为了得到完美、真实的成像，物镜必须进行优化。

ZEMAX优化以后与我手工计算的数据出入不是非常大。

这一结果即说明了我的手工计算是正确的，也说明优化的数据更为完美，当然由于个人水平有限，优化结果并不是很好，请老师给予批评指正。

参考文献：

[1]　毛文炜.光学镜头的优化设计[M].北京:

清华大学出版社,2009.

[2]　郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:

机械工业出版社,2010.

[3]　刘钧,高明.光学设计[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2006.

[4]　李晓彤,岑兆丰.几何光学·像差·光学设计[M].杭州:

浙江大学出版社,2007.

[5]　萧泽新.工程光学设计[M].北京:

电子工业出版社,2002