基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計演示教學(xué)

1、基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計學(xué)院編號：大學(xué)生課外科技實踐創(chuàng)新活動基金項目申請書（自然科學(xué)類）課題名稱：基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計申請人孫冬指導(dǎo)教師張科所在系電子工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系起止年月:2016年4月-2017年3月填報日期:2016年4月21日淮南師范學(xué)院科研處二O三年制、編寫申請書之前請認真閱讀本填表說明。申請書所列內(nèi)容必須實事求是，逐項認真填寫，表達要明確嚴(yán) 謹。對于填寫內(nèi)容含糊不清、不合要求、手續(xù)不全的申請 書不予受理。二、課題申請書作為課題執(zhí)行過程中檢查、驗收等管 理活動的重要依據(jù)文件，由課題負責(zé)人填寫。三、學(xué)院編號不要填寫，由科研處統(tǒng)一編排。四、3-4頁不得岀現(xiàn)申請人

2、的任何背景資料，否則作廢。3-4頁與前面的表格分開裝訂。五、申請書中有關(guān)欄目不敷填寫時可另附頁說明。申請人承諾我保證如實填寫本表格各項內(nèi)容。如果獲得立項，承 諾以本表為有約束力的協(xié)議，遵守我院大學(xué)生科技實踐創(chuàng) 新活動基金管理辦法，認真開展研究工作，取得預(yù)期成 果。如果成果發(fā)表或發(fā)布，我將注明是淮南師范學(xué)院學(xué)生 科技創(chuàng)新基金支持項目。申請人（簽字）：年 月 日申請人姓 名孫冬性別女民漢 族儀出生 日期1998. 09 11政治面貌團員所在系電子工程 學(xué)院專業(yè)光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)學(xué)號1406020219學(xué)校住址淮南市田家庵區(qū) 泉山校區(qū)E-mailSundong_1314126. com聯(lián)系電

3、 要 參 加 者姓名性別出生年 月所在系專業(yè)目工 項分簽名孫冬女1998. 09. 11電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)實驗 操作王琪女1996. 811電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)實驗 操作桂杰玉女1996. 9.28電子工 程學(xué)院光電信息 科學(xué)與工 程專業(yè)理論 分析指導(dǎo)教師性學(xué)職苗/亠研究專吐玄比、壬姓名別位稱單位長聯(lián)系電話男碩士助理 實驗師電工學(xué)院激光張導(dǎo)教師意見:簽名:年 月 日 項目負責(zé)人所在單位審核意見申請書所填寫的內(nèi)容是否屬實；本系能否提供完成本項目所需的時間和條件；本系是否同意本項目的管理任務(wù)和信譽保證。單

4、位公章：單位負責(zé)人簽名:以上內(nèi)容和下面內(nèi)容分開裝訂。以下申報頁不得出現(xiàn)申請人的背景材料，否則作廢,學(xué)院編號課題名稱基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計起止時間2015 年 4 月-2016 年3月預(yù)期成果8000字左右學(xué)術(shù)論文項目研究內(nèi)容摘要（不超過400字）顯微鏡以其分辨率極高（原子級分辨率）、實時、實空間、 原位成像等特點，被廣泛用于電子工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、IT產(chǎn) 業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。物鏡是顯微鏡最重要的光學(xué)部件，利 用光線使被檢物體第一次成像，因而直接影響成像的質(zhì)量和各 項光學(xué)技術(shù)參數(shù)，對顯微鏡系統(tǒng)的成像能力起到?jīng)Q定性作用， 是衡量一臺顯微鏡質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代顯微物鏡仍存在很大 的局限性，其視

5、場小、數(shù)值孔徑和視場中心的分辨率與理論值之 間還有一定的差距，因此繼續(xù)增大顯微物鏡視場與提高視場邊 緣成彖質(zhì)量是十分必要的。ZEMAX是一套是將實際光學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的光學(xué)設(shè)計 仿真軟件，能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)建模、模擬、分析和其 他的輔助功能。本研究工作主要采用ZEMAX軟件，將已有的顯 微物鏡結(jié)構(gòu)型式作為初始結(jié)構(gòu)進行像差校正，利用縮放法設(shè)計 平場顯微物鏡，并充分利用ZEMAX的光學(xué)系統(tǒng)像差分析功能， 對原有物鏡系統(tǒng)進行全面的像差分析、優(yōu)化，觀察各參數(shù)變動 對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化和像差、點列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)變化的影響； 然后綜合分析各個影響較大的參數(shù)，選其作為

6、優(yōu)化變量，再由ZMAX進行自動優(yōu)化，進而完成對顯微物鏡設(shè)計工作。關(guān)鍵詞（3-5顯微物鏡 ZEMAX光學(xué)設(shè)計縮放法像個）差校正課題設(shè)計論證（可附頁）1同類課題國內(nèi)外研究狀況；2本課題研究的意義（理論意義 和實踐意義）；3本課題擬研究的主要內(nèi)容、重點和難點；4.本課題的研究方法；5預(yù)期的成果；6相關(guān)參考文獻。1、國內(nèi)外研究狀況顯微技術(shù)在各個領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，至今顯微鏡仍廣 泛應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用前景很好，在物質(zhì)微小區(qū)域進行化學(xué) 成分分析、顯微形貌察、微觀觀結(jié)構(gòu)測定等方面都起著重要的 作用。最初的顯微鏡產(chǎn)生于十六世紀(jì)末期，17世紀(jì)中期，英國 科學(xué)家虎克制做了最早的復(fù)式顯微鏡在生理學(xué)研究方面有重大

7、 突破1, 1684年惠更斯設(shè)計了現(xiàn)今仍在使用的生物顯微鏡，當(dāng) 時的顯微鏡物鏡沒有校正像差，鏡徑又小，球面像差和色像差 嚴(yán)重。在復(fù)式顯微鏡發(fā)明之后的兩個世紀(jì)中，盡管許多科學(xué)家 和光學(xué)制造商作了許多的努力，他們用不同透鏡及不同光闌的 組合進行了種種嘗試，卻收效甚微2。1824年法國物理學(xué)家 塞利格提出了一個為高倍顯微鏡消色差的方法即把幾個低倍消 色差物鏡用螺旋推動以聯(lián)合使用，這樣就可避免制造十分短的 焦距的物鏡而又能得到較高倍率的消色差物鏡。根據(jù)塞利格的 方法，薛瓦利埃于1825年制成了消色差顯微鏡；C.薛瓦利埃于 1834年制成的消色差顯微鏡還附有反射物鏡、聚光鏡及偏光元 件等3 ； 1855

8、年意大利的阿米奇設(shè)計成功一種消色的中倍顯微 鏡物鏡；1878年德國物理學(xué)家阿貝成功設(shè)計制成油浸顯微鏡， 顯微鏡的分辨本領(lǐng)已達到其理論極限(0. 2um),而且在照明系 統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)等方面這時都已達到合理的定型4。在阿貝的 現(xiàn)代顯微鏡制成之后，光學(xué)顯微鏡并未停止發(fā)展。除了阿貝在 18 86年制成復(fù)消色差物鏡和伯格霍爾德于1950年設(shè)計成功平 場復(fù)消色差物鏡之外，20世紀(jì)的前半個世紀(jì)里，光學(xué)顯微鏡有 如下兩個方面的發(fā)展。第一，為了觀察生物標(biāo)本的不同結(jié)構(gòu)， 提供多方面信息而設(shè)計成(或改良)一些特種顯微鏡，如喑場 顯微鏡、偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、離心顯微鏡等。這一類顯 微鏡我們稱之為第一類特種顯微鏡。

9、第二，僅為工作上的方便 而設(shè)計成的一些特種顯微鏡，如倒置顯微鏡、體視顯微鏡、袖 珍顯微鏡等。這一類顯微鏡，我們稱之為第二類特種顯微鏡。在20世紀(jì)后半個世紀(jì)中，還將激光和電子技術(shù)引人光學(xué)顯 微鏡中。1932年Rushka等人根據(jù)電子光學(xué)與光學(xué)的相似性， 并參考光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)，在德國柏林大學(xué)成功制造了第一臺 電子顯微鏡5。1952年，諾馬斯基發(fā)明了干涉相位差光學(xué)系 統(tǒng)。1978年，一種新的物理探測系統(tǒng)掃描隧道顯微鏡被德國學(xué)者賓尼和瑞士學(xué)者羅雷爾系統(tǒng)地論證了，并于1982年成 功制造。這種新型的顯微鏡，橫向分辨率達到0. 01 nm,縱向分 辨率達到0. OOlnm，使單個原子的操作成為了可能。在

10、掃描隧道 顯微鏡(STM)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個領(lǐng)域的新要求，發(fā)明了一 系列新型顯微鏡6。如原子力顯微鏡(AFM)、激光力顯微鏡 (LFM)、掃描熱顯微鏡、掃描隧道電位儀(STP)等等。光學(xué)儀器 的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞決定著光學(xué) 儀器整體質(zhì)量的好壞，二百多年來，人類一直以不斷提高顯微 鏡分辨本領(lǐng)而努力創(chuàng)新，一個高質(zhì)量的的成像光學(xué)系統(tǒng)是要靠 好的光學(xué)設(shè)計去完成，現(xiàn)今的顯微物鏡存在局限性，視場小、 場曲和色差比較嚴(yán)重，因而研究顯微物鏡設(shè)計對于改進成像質(zhì) 量具有實際意義。本文以ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，利用 ZEMAX的像差分析功能和自動優(yōu)化功能并利用縮放法對成像質(zhì)量 進行

11、改善。2、研究意義光學(xué)儀器的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好 壞決定著光學(xué)儀器整體質(zhì)量的好壞。光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用相當(dāng)廣 泛，在諸多專業(yè)領(lǐng)域需要特定的專用光學(xué)顯微鏡，但由于現(xiàn)今 的顯微物鏡存在局限性，視場小、場曲和色差比較嚴(yán)重，因而 研究顯微物鏡設(shè)計對于改進成像質(zhì)量具有實際意義?；赯EMAX 軟件設(shè)計出的顯微物鏡具有分辨率高、改善色差、視場大等優(yōu) 點，對當(dāng)今的科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有著重要的意 義。3、主要內(nèi)容、重點與難點3.1主要內(nèi)容1、初步了解數(shù)值孔徑（NA）、放大率（B ）和線視場（y）是 三個表征顯微物鏡性能的主要參數(shù)；2、運用“縮放法”得到要求的設(shè)計參數(shù)，再利用ZEMAX

12、的光學(xué) 系統(tǒng)像差分析功能，自動優(yōu)化進行像差校正，最終達到設(shè)計目 的和要求。3.2課題重點本論文的重點在于初始結(jié)構(gòu)的選型，關(guān)系到整個顯微物鏡設(shè)計 的成敗。3. 3課題難點本論文的難點在于像質(zhì)的評價分析，在做論文過程中我們要解 決這個難點以達到顯微鏡設(shè)計要求改善成像。4. 本課題的研究方法本課題運用所學(xué)知識、圖書館文獻、網(wǎng)絡(luò)資源和實地調(diào)研相結(jié) 合的方法，了解國內(nèi)外關(guān)于顯微物鏡的研究現(xiàn)狀。另外結(jié)合光 學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX與技術(shù)實驗室的顯微物鏡利用縮放法進行不 同程度地改善像差以達到設(shè)計要求，達到滿意的成像質(zhì)量。5、預(yù)期成果8000字以內(nèi)的調(diào)研報告或?qū)W術(shù)論文，期望顯微物鏡設(shè)計方面有 更新創(chuàng)意。6、參考

13、文獻1 ：王莉、蔣洪、孫麗麗；顯微鏡的發(fā)展綜述，岀版源科技 信息,2009(11)；2 :唐玄之、李明；光學(xué)顯微鏡簡史；物理1995年第7期 439-444 頁；3 ：王付銀；淺談攝影之為藝術(shù)；山西師大學(xué)報:社會科學(xué) 版,2011 (S2) : 116-118 頁；M：朱星；近場光學(xué)顯微鏡；現(xiàn)代科學(xué)儀器，1998 (Z1) : 84-89 頁；5:高紹璞，陳彥，張震東；現(xiàn)代生物顯微技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢；安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,31（2） : 243-245頁；6馬紅偉；顯微鏡在表面分析技術(shù)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢;完成項目的條件和保證1. 負責(zé)人和主要成員曾參與或組織完成過哪些科技創(chuàng)新活動， 獲得過哪些成果（只列舉活動及成果名稱，不得出現(xiàn)姓名）；2. 完成本課題的研究能力及時間保證。負責(zé)人和主要成員曾參與安徽機械工業(yè)學(xué)校進行金工實 習(xí)、大學(xué)生野外無線電測向活動社會實踐活動，取得了較好成 績。本課題組成員動手能力較強，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、運用 所學(xué)過的知識和技能解決問題的能力以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力 較咼。本小組成員全部為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)在讀本科生， 對工程光學(xué)、模擬電子技術(shù)，信息光學(xué)，光電