應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)

1、應(yīng)用光學(xué)課程應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)報(bào)告姓名姓名：劉思蔚、靳歡、張琪 專(zhuān)業(yè)與班級(jí)專(zhuān)業(yè)與班級(jí)： 光信 1 班 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師： 朱亞?wèn)| 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)名稱(chēng)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 25x 顯微鏡物鏡設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)單位專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)單位： 天津理工大學(xué) 目 錄摘要 .iabstract.ii1 緒論.12 物鏡設(shè)計(jì)方案.23 物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)及鏡片選擇.33.1 物鏡的數(shù)值孔徑.33.2 物鏡的鑒別率.33.3 物鏡的有效放大倍數(shù).43.4 垂直鑒別率.53.5 實(shí)際參數(shù)確定.54 25顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過(guò)程.64.1 選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù).64.2 自動(dòng)優(yōu)化.64.3 物鏡的光線(xiàn)像差(ray aberration

2、)分析 .84.4 物鏡的波像均方差(opd)分析.94.5 物鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)(mtf)分析.94.6 最終仿真參數(shù)分析.105 心得體會(huì).136 參考文獻(xiàn).14i摘要 物鏡是顯微鏡最重要的光學(xué)部件,利用光線(xiàn)使被檢物體第一次成象,因而直接關(guān)系和影響成象的質(zhì)量和各項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù),是衡量一臺(tái)顯微鏡質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)。 物鏡的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制作精密,由于對(duì)象差的校正,金屬的物鏡筒內(nèi)由相隔一定距離并被固定的透鏡組組合而成.物鏡有許多具體的要求,如合軸,齊焦. 現(xiàn)代顯微物鏡已達(dá)到高度完善,其數(shù)值孔徑已接近極限,視場(chǎng)中心的分辨率與理論值之區(qū)別已微乎其微.但繼續(xù)增大顯微物鏡視場(chǎng)與提高視場(chǎng)邊緣成象質(zhì)量的可能性仍然存

3、在,這種研究工作,至今仍在進(jìn)行。本次課設(shè)主要是應(yīng)用 zemax 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出 25顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)分析微調(diào)參數(shù)改變參數(shù)變量再次進(jìn)行優(yōu)化反復(fù)過(guò)程之后，設(shè)計(jì)出了能夠很好的消除系統(tǒng)像差的非球面物鏡和整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，使得成像光斑達(dá)到了衍射極限。分析和評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的點(diǎn)列圖、波像均方差、波前均方差、光學(xué)傳遞函數(shù)等參數(shù)，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的顯微物鏡。關(guān)鍵詞：顯微物鏡；zemax；優(yōu)化；光學(xué)系統(tǒng)abstractthe most important objective is microscope optical components, use light was the first

4、object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard.the structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and

5、fixed lens groups. there are many specific objective requirements, such as close to axis.modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscope

6、objectives. the view and improve the quality of imaging edge view, this study is still possible, still in the works.this class is mainly applied set zemax optical design software, design and x microscope optical system accurately. through computer optimization, system analysis - fine-tuning iiparame

7、ters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed 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 a wave of variance, the mean square

8、error, optical transmission function parameters, designed comply with the design requirements of the microscope objectives.keywords: microscope objectives, zemax, optimization, optical systems.11 緒論zemax 是 focus software 公司推出的一個(gè)綜合性光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。這一軟件集成了包括光學(xué)系統(tǒng)建模、光線(xiàn)追跡計(jì)算、像差分析、優(yōu)化、公差分析等諸多功能，并通過(guò)直觀的用戶(hù)界面，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供

9、了一個(gè)方便快捷的設(shè)計(jì)工具。十幾年來(lái)，研發(fā)人員對(duì)軟件不斷開(kāi)發(fā)和完善，每年都對(duì)軟件進(jìn)行更新，賦予 zemax 更為強(qiáng)大的功能，因而被廣泛用在透鏡設(shè)計(jì)、照明、激光束傳播、光纖和其他光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中。zemax 采用序列和非序列兩種模式模擬折射、反射、衍射的光線(xiàn)追跡。序列光線(xiàn)追跡主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)等。這一模式下，zemax 以面作為對(duì)象來(lái)構(gòu)建一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)模型，每一表面的位置由它相對(duì)于前一表面的坐標(biāo)來(lái)確定。光線(xiàn)從物平面開(kāi)始，按照表面的先后順序進(jìn)行追跡，追跡速度很快。許多復(fù)雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、微反射鏡、導(dǎo)光管、非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀的物體則需采用非序列模式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)

10、建模。這種模式下，zemax 以物體作為對(duì)象，光線(xiàn)按照物理規(guī)則，沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行追跡，可按任意順序入射到任意一組物體上，也可以重復(fù)入射到同一物體上，直到被物體攔截。與序列模式相比，非序列光線(xiàn)追跡能夠?qū)饩€(xiàn)傳播進(jìn)行更為細(xì)節(jié)的分析。但此模式下，由于分析的光線(xiàn)多，計(jì)算速度較慢。在一些較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用序列和非序列光線(xiàn)追跡。根據(jù)需要，可以采用序列光學(xué)表面與任意形狀、方向或位置的非序列組件進(jìn)行結(jié)合，共同形成一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2 物鏡設(shè)計(jì)方案25顯微鏡物鏡屬于中倍顯微物鏡，通常由兩個(gè)分離的雙膠組合透鏡組成，這類(lèi)物鏡也稱(chēng)為里斯特物鏡，它的倍率一般在 6至 30之間，數(shù)值孔徑 na 為 0

11、.2 至 0.6 之間。由于顯微物鏡倍率較高，相距遠(yuǎn)大于物距，顯微物鏡的設(shè)計(jì)通常采用逆光路方式，即把像方的量當(dāng)做物方的量來(lái)處理。里斯特物鏡兩個(gè)雙膠合透鏡光焦度分配的原則通常是使每個(gè)雙膠合透鏡產(chǎn)生的偏角相等或者是后組的偏角略大于前組。里斯特物鏡的光闌通常放在第一個(gè)雙膠合透鏡上。當(dāng)兩個(gè)雙膠合透鏡相互補(bǔ)消球差和慧差時(shí)，兩個(gè)雙膠合2透鏡的間隔大致和物鏡的總焦距相等。第一個(gè)雙膠合的焦距約為物鏡焦距的二倍。第二個(gè)雙膠合的焦距大致和物鏡的總焦距相等。物鏡的像差校正方式采取兩個(gè)雙膠合透鏡各自單獨(dú)校正球差、慧差和色差，這種方案的有點(diǎn)是：二個(gè)雙膠合透鏡組合在一起則為一個(gè)中倍物鏡，移去一個(gè)雙膠合透鏡后可用作低倍顯微

12、物鏡使用。其總設(shè)計(jì)圖如下：圖 1 25顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)方案圖3 物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)及鏡片選擇3.1 物鏡的數(shù)值孔徑 物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，增強(qiáng)物鏡的聚光能力可提高物鏡的鑒別率。數(shù)值孔徑通常以符號(hào)“n.a.”表示（即 numerical aperture）。根據(jù)理論的推導(dǎo)得出：n.a.=n.sinu式中 n物鏡與觀察之間介質(zhì)的折射率； u物鏡的孔徑半角因此，有兩個(gè)提高數(shù)字孔徑的途徑：（a）增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距，以增大孔徑半角 u。此法因?qū)е孪蟛钤龃蠹爸圃炖щy，實(shí)際上 sinu 的最大值只能達(dá)到 0.95（b）增加物鏡與觀察之間的折射率 n。是介質(zhì)對(duì)物鏡數(shù)值孔徑

13、影響示意圖。當(dāng)光線(xiàn)沿光軸方向射向觀察物時(shí)，自物體 s 處發(fā)出的反射光除沿 so 方向反射外，尚有（s1 s1）（s2，s2）等衍射光。（a）是以空氣為介質(zhì)（又稱(chēng)干系物鏡）的情況，只3有（s1 s1）內(nèi)的衍射光可以通過(guò)物鏡，（s1 s1）以外的衍射光如（s2，s2）均不能通過(guò)物鏡。（b）是物鏡與觀察之間以松柏油或其它油為介質(zhì)（又稱(chēng)油浸物鏡）時(shí)，由于折射率 n 增加，使衍射光的角度變狹，致使（s2，s2）甚至（s3，s3）內(nèi)的衍射光均可通過(guò)物鏡。因而使物鏡通過(guò)盡可能多的衍射光束，利于鑒別組織細(xì)節(jié)。3.2 物鏡的鑒別率物鏡的鑒別率是指物鏡具有將兩個(gè)物點(diǎn)清晰分辨的最大能力，以?xún)蓚€(gè)物點(diǎn)能清晰分辨的最小距

14、離 d 的倒數(shù)表示。d 愈小，表示物鏡的鑒別率愈高。要明白鑒別率可以有一定的限度，這就要用光通過(guò)透鏡后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象來(lái)解釋。物體通過(guò)光學(xué)儀器成象時(shí)，每一物點(diǎn)對(duì)應(yīng)有一象點(diǎn)，但由于光的衍射，物點(diǎn)的象不再是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的兩個(gè)物點(diǎn)所成的象一兩個(gè)亮斑如果互相重疊，則導(dǎo)致這兩個(gè)物點(diǎn)分辨不清，從而限制了光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)一分辨率。顯然，象面上衍射圖象中央亮斑半徑愈大，系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)愈小。瑞利（rayleigh）提出一個(gè)推測(cè)（又稱(chēng)瑞利準(zhǔn)則）：認(rèn)為當(dāng) a1衍射花樣的第一極小值正好落在 a2衍射花樣的極大值時(shí)，a1、a2是可以分辨的，將此時(shí)定出的兩物點(diǎn)距離a1、a2作為光學(xué)統(tǒng)的分辨極限

15、。0稱(chēng)為極限分辨角。不言而喻，當(dāng) 0時(shí)是完全可分辨的，0時(shí)是不可分辨的。由圓孔衍射理論得到：0=1.22 / d式中 入射光波長(zhǎng)； d入射光的最大允許孔徑（透鏡直徑）。因?yàn)?0很小，所以由圖 2-4 得： d0=1.22s / d物鏡在設(shè)計(jì)時(shí)，總是使它滿(mǎn)足阿貝正弦條件的，即 ndsinu=ndsinu式中 n 和 n為物、象所在空間的折射率，成象總是在空氣介質(zhì)中，故 n=1；u 各u分別為光線(xiàn)在物、象空間共軛點(diǎn)上的孔徑角；d 和 d分別為物點(diǎn)、象點(diǎn)中心斑的間距?？紤]到顯微鏡中入射光并非都是平行光，有傾斜光線(xiàn)，對(duì)上式系數(shù)作適當(dāng)?shù)男拚允街?nsinu 就是物鏡的數(shù)值孔徑，因此，上式或者寫(xiě)：d

16、=0.5/n.a4因此表明：物鏡的數(shù)值孔徑愈大，入射光的波長(zhǎng)愈短，則物鏡的分辨能力愈高。在可見(jiàn)光中，觀察時(shí)常用黃綠光（ 4400a），則可使分辨能力提高 25%左右。3.3 物鏡的有效放大倍數(shù)在保證物鏡的鑒別率充分利用時(shí)所對(duì)應(yīng)的物鏡的放大倍數(shù)，稱(chēng)為物鏡的有效放大倍數(shù)。有效放大倍數(shù)可由以下關(guān)系推出：人眼在明視距離（250mm)處的分辨能力為0.150.30，因此，需將物鏡鑒別的距離 d 經(jīng)顯微鏡放大后成 0.150.30mm 方能被人眼分辨。若以 m 表示物鏡的放大倍數(shù)，則d.m=0.150.30m=0.150.30/d=(0.150.30)(n.a.)/0.5=0.30.6n.a./此時(shí)的放大

17、倍數(shù)即為物鏡的有效放大倍數(shù)，通常以 m有效表示。因此m有效=0.30.6n.a./由此可知：物鏡的有效放大倍數(shù)由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長(zhǎng)決定。3.4 垂直鑒別率垂直鑒別率又稱(chēng)景深，定義為在固定相點(diǎn)的情況下，成象面沿軸向移動(dòng)仍能保持圖象清晰的范圍。表征物鏡對(duì)應(yīng)位于不同平面上目的物細(xì)節(jié)能否清晰成象的一個(gè)性質(zhì)，垂直鑒別率的大小由滿(mǎn)意成象的平面的兩個(gè)極限位置（位于聚焦平面之前和之后）間的距離來(lái)量度。如果人跟分辨能力為 0.150.30mm，n 為目的物所在介質(zhì)的折射率，（n.a.)為物鏡的數(shù)值孔徑，m 為顯微鏡的放大倍數(shù)，則垂直鑒別率 h 可由下式求出：h=n / (n.a.).m （0.150.3

18、0）mm由上式可知：如果要求較大的垂直鑒別率，最好選用數(shù)值孔徑小的物鏡，或減少孔徑光闌以縮小物鏡的工作孔徑，這樣就不可避免降低了顯微鏡的分辨能力。這兩個(gè)矛盾因素，只能被具體情況決定取舍。3.5 實(shí)際參數(shù)確定按照設(shè)計(jì)要求：物鏡放大倍數(shù)為 25，數(shù)值孔徑 na=0.4，通過(guò)以上幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算出理論上的數(shù)值并確定符合數(shù)值要求的鏡片。初步確定第一個(gè)雙膠合透鏡的初始結(jié)5構(gòu)由 zf3 與 k9 組合，第二個(gè)雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)由 zf3 與 zk9 組合。求出雙膠合透鏡的初始結(jié)構(gòu)之后，就可以進(jìn)行光線(xiàn)追跡、相差計(jì)算和平衡了，如果的得到不滿(mǎn)意的結(jié)果，可重新選擇玻璃對(duì)，再重復(fù)上面的計(jì)算，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也可

19、以采用自動(dòng)設(shè)計(jì)程序作進(jìn)一步校正，其結(jié)果可能會(huì)更好。4 25顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真過(guò)程4.1 選擇初始結(jié)構(gòu)并設(shè)置參數(shù)顯微鏡物鏡的初始結(jié)構(gòu)選擇如下：在用zemax軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將顯微鏡倒置設(shè)計(jì)。設(shè)置參數(shù)如下：垂直放大率為 0.04，物方數(shù)值孔徑為0.016，物高為25mm，物方半視場(chǎng)高度為12.5mm。此時(shí)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖4-1所示。從mtf圖和像差圖可以看出該顯微物鏡的成像質(zhì)量還不是很好，需要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化校正。 4.2 自動(dòng)優(yōu)化 首先，建立自動(dòng)優(yōu)化函數(shù)。具體過(guò)程如下：選擇editors merit function，彈出 merit function editor 對(duì)話(huà)框，在

20、type欄中輸入effl，并將target定為6.930840， weight值取1.0； 其次，選擇merit function editor對(duì)話(huà)框工具欄中的toolsdefault merit function, 設(shè)置optimization and reference為rmswavefrontcentroid； 6最后，選擇opt按鈕進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。 自動(dòng)優(yōu)化后，顯微鏡物鏡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)如下： 經(jīng)過(guò)自動(dòng)優(yōu)化后的顯微物鏡的結(jié)構(gòu)、傳函以及像差如圖4-2所示。此時(shí)，像方數(shù)值孔徑na=0.37333,傳遞函數(shù)接近于衍射極限，成像質(zhì)量較好，基本上達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 圖4-1 初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)仿真圖圖4-2

21、自動(dòng)優(yōu)化后各參數(shù)仿真圖4.3 物鏡的光線(xiàn)像差(ray aberration)分析通過(guò)光線(xiàn)特性曲線(xiàn)來(lái)分析光線(xiàn)像差，以顯示關(guān)于入瞳坐標(biāo)函數(shù)的光線(xiàn)像差。本次設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)的光線(xiàn)特性曲線(xiàn)如圖4-3所示。7圖形以光瞳坐標(biāo)的函數(shù)形式表示了橫向的光線(xiàn)像差（指的是以主光線(xiàn)為基準(zhǔn)） 。左邊的圖形中以“ey”代替y。這是y方向的像差，有時(shí)也叫做子午的，或yz面的。右圖以“ex”代替x，有時(shí)也叫做弧矢的，或xz面的。從此光學(xué)特性曲線(xiàn)可以看出，光線(xiàn)特性曲線(xiàn)在y方向視場(chǎng)角度為0度時(shí)通過(guò)原點(diǎn)的傾斜不大，表示離焦現(xiàn)象不明顯，基本符合設(shè)計(jì)要求。圖 4-3 物鏡的光線(xiàn)特性曲線(xiàn)圖84.4 物鏡的波像均方差(opd)分析在接近衍射

22、極限的光學(xué)系統(tǒng)中，波像均方差是像質(zhì)的敏感函數(shù)，要求照相物鏡聚焦精確、像質(zhì)好、必須對(duì)球差、慧差和像散進(jìn)行校正，從而使得波像均方差在一定的允許范圍內(nèi)，一般要求物鏡的波像均方差在 0.05以下。圖 4-4 所示為照相物鏡的波像均方差數(shù)值圖圖4-4 照相物鏡的opd圖4.5 物鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)(mtf)分析光學(xué)系統(tǒng)是線(xiàn)性系統(tǒng)，而且在一定條件下還是線(xiàn)性空間不變系統(tǒng)，因而可以用線(xiàn)性系統(tǒng)理論來(lái)研究它的性能，把輸入信息分解成各種空間頻率分量，研究系統(tǒng)的空間頻率傳遞特性即光學(xué)傳遞函數(shù)，它能全面反映光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)。fftmtf是用快速傅立葉變化算法計(jì)算的mtf，是一種物理傳遞函數(shù)，即考慮光學(xué)系統(tǒng)的衍射效應(yīng)，一般的