基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)

1、學(xué)院編號(hào)： 大學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金項(xiàng)目申請(qǐng)書（自然科學(xué)類）課題名稱：基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)申 請(qǐng) 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(bào)日期：2016年4月21日淮南師范學(xué)院科研處二一三年制填 報(bào) 說 明一、編寫申請(qǐng)書之前請(qǐng)認(rèn)真閱讀本填表說明。申請(qǐng)書所列內(nèi)容必須實(shí)事求是，逐項(xiàng)認(rèn)真填寫，表達(dá)要明確嚴(yán)謹(jǐn)。對(duì)于填寫內(nèi)容含糊不清、不合要求、手續(xù)不全的申請(qǐng)書不予受理。二、課題申請(qǐng)書作為課題執(zhí)行過程中檢查、驗(yàn)收等管理活動(dòng)的重要依據(jù)文件，由課題負(fù)責(zé)人填寫。三、學(xué)院編號(hào)不要填寫，由科研處統(tǒng)一編排。四、3-4頁不得出現(xiàn)申請(qǐng)人的任何背

2、景資料，否則作廢。3-4頁與前面的表格分開裝訂。五、申請(qǐng)書中有關(guān)欄目不敷填寫時(shí)可另附頁說明。申請(qǐng)人承諾我保證如實(shí)填寫本表格各項(xiàng)內(nèi)容。如果獲得立項(xiàng)，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(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金管理辦法，認(rèn)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(xiàng)目。申請(qǐng)人（簽字）： 年 月 日申請(qǐng)人姓名孫冬性別女民族漢出生日期1998.0911政治面貌團(tuán)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(hào)1406020219學(xué)校住址淮南市田家庵區(qū)泉山校區(qū)E-mail Sundong_1314聯(lián)系電 要 參 加

3、者姓 名性別出生年月所在系專 業(yè)項(xiàng)目分工簽名孫冬女1998.09.11電子工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作王琪女1996.8.11電子工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)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)教師姓名性 別學(xué) 位職 稱單 位研究專長聯(lián)系電話張科男碩士助理實(shí)驗(yàn)師電工學(xué)院激導(dǎo)教師意見： 簽名：年 月 日 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在單位審核意見申請(qǐng)書所填寫的內(nèi)容是否屬實(shí)；本系能否提供完成本項(xiàng)目所需的時(shí)間和條件；本系是否同意本項(xiàng)目的管理任務(wù)和信譽(yù)保證。單位公章：單位負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日以上內(nèi)容和下面內(nèi)容分開裝訂。以下申報(bào)頁不得出

4、現(xiàn)申請(qǐng)人的背景材料，否則作廢，學(xué)院編號(hào) 課題名稱基于ZEMAX的顯微物鏡設(shè)計(jì)起止時(shí)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(xiàng)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(jí)分辨率）、實(shí)時(shí)、實(shí)空間、原位成像等特點(diǎn)，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(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)，對(duì)顯微鏡系統(tǒng)的成像能力起到?jīng)Q定性作用，是衡量一臺(tái)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

5、與提高視場邊緣成象質(zhì)量是十分必要的。ZEMAX 是一套是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析，公差以及報(bào)表集成在一起的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)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(jìn)行像差校正，利用縮放法設(shè)計(jì)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(duì)原有物鏡系統(tǒng)進(jìn)行全面的像差分析、優(yōu)化，觀察各參數(shù)變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化和像差、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)變化的影響；然后綜合分析各個(gè)影響較大的參數(shù)，選其作為優(yōu)化變量，再由ZMAX進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，進(jìn)而完成對(duì)顯微物鏡設(shè)計(jì)工作。關(guān)鍵詞（3-5個(gè)）顯微物鏡 ZEMAX

6、 光學(xué)設(shè)計(jì) 縮放法 像差校正課題設(shè)計(jì)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(shí)踐意義）；3.本課題擬研究的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)；4.本課題的研究方法；5.預(yù)期的成果；6.相關(guān)參考文獻(xiàn)。1、國內(nèi)外研究狀況顯微技術(shù)在各個(gè)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(jìn)行化學(xué)成分分析、顯微形貌察、微觀觀結(jié)構(gòu)測(cè)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)研究方面有重大突破1，1684年惠更斯設(shè)計(jì)了現(xiàn)今仍在使用的生物顯微鏡，當(dāng)時(shí)的顯微鏡物鏡沒有校正像差, 鏡徑

7、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(gè)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(jìn)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(gè)為高倍顯微鏡消色差的方法即把幾個(gè)低倍消色差物鏡用螺旋推動(dòng)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年意大利的阿米奇設(shè)計(jì)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(jì)制成油浸顯微鏡，顯微鏡的分辨本領(lǐng)

8、已達(dá)到其理論極限（0.2um），而且在照明系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面這時(shí)都已達(dá)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(jì)成功平場復(fù)消色差物鏡之外，20 世紀(jì)的前半個(gè)世紀(jì)里，光學(xué)顯微鏡有如下兩個(gè)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(jì)成( 或改良) 一些特種顯微鏡，如暗場顯微鏡、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。 第二，僅為工作上的方便而設(shè)計(jì)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

9、特種顯微鏡。在20 世紀(jì)后半個(gè)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(tái)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(cè)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(dá)到0.01 nm, 縱向分辨率達(dá)到0.001nm, 使單個(gè)原子的操作成為了可能。在掃描隧道顯微鏡(STM)原理的基礎(chǔ)上, 結(jié)合各個(gè)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

10、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(gè)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(jì)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(jì)對(duì)于改進(jìn)成像質(zhì)量具有實(shí)際意義。本文以ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)，利用ZEMAX的像差分析功能和自動(dòng)優(yōu)化功能并利用縮放法對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行改善。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

11、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(jì)對(duì)于改進(jìn)成像質(zhì)量具有實(shí)際意義。基于ZEMAX軟件設(shè)計(jì)出的顯微物鏡具有分辨率高、改善色差、視場大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(diǎn)與難點(diǎn)3.1 主要內(nèi)容1、初步了解數(shù)值孔徑（NA）、放大率（）和線視場（y）是三個(gè)表征顯微物鏡性能的主要參數(shù)；2、運(yùn)用“縮放法”得到要求的設(shè)計(jì)參數(shù)，再利用ZEMAX的光學(xué)系統(tǒng)像差分析功能，自動(dòng)優(yōu)化進(jìn)行像差校正，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的和要求。3.2 課題重點(diǎn)本論文的重點(diǎn)在于初始結(jié)構(gòu)的選型，關(guān)系到整個(gè)顯微物鏡設(shè)計(jì)的成敗。3.3 課

12、題難點(diǎn)本論文的難點(diǎn)在于像質(zhì)的評(píng)價(jià)分析，在做論文過程中我們要解決這個(gè)難點(diǎn)以達(dá)到顯微鏡設(shè)計(jì)要求改善成像。4.本課題的研究方法本課題運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、圖書館文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)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(jì)軟件ZEMAX與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的顯微物鏡利用縮放法進(jìn)行不同程度地改善像差以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，達(dá)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(bào)告或?qū)W術(shù)論文，期望顯微物鏡設(shè)計(jì)方面有更新創(chuàng)意。6、 參考文獻(xiàn)1：王莉、蔣洪、孫麗麗；顯微鏡的發(fā)展綜述，出版源科技信息, 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

13、攝影之為藝術(shù)；山西師大學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版, 2011(S2):116-118頁；4：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(shì)；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(shì)；完成項(xiàng)目的條件和保證1. 負(fù)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(dòng)，獲得過哪些成果（只列舉活動(dòng)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(shí)間保證。 負(fù)責(zé)人和主要成員曾參與安徽機(jī)械工業(yè)學(xué)校進(jìn)行金工實(shí)習(xí)、大學(xué)生野外無線電測(cè)向活動(dòng)社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，取得了較好成績。本課題組成員動(dòng)手能力較強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)和技能解決問題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力較高。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(duì)工程光學(xué)、模擬電子技術(shù)，信息光學(xué)，光電子技術(shù)等課程有了基本的