消色差顯微鏡的設(shè)計(jì)及性能 分析

1、里仁學(xué)院消色差顯微鏡的設(shè)計(jì)及性能分析課 程 工程光學(xué)學(xué)生姓名 竇浩然專業(yè)班級(jí) 檢測(cè)14-1指導(dǎo)教師 徐偉 2017年1月13日摘要為解決普通生物顯微物鏡視場(chǎng)小、場(chǎng)曲和色差嚴(yán)重的問(wèn)題,本文利用光學(xué)軟件ZEMAX設(shè)計(jì)了一款消色差顯微物鏡,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、光焦度分配及材料選擇,使該物鏡具有大視場(chǎng)、高數(shù)值孔徑、平場(chǎng)復(fù)消色差的特點(diǎn)。消色差物鏡是常見的物鏡，外殼上常有"Ach"字樣，這類物鏡僅能校正軸上點(diǎn)的位置色差(紅、藍(lán)二色)和球差(黃綠光)以及消除近軸點(diǎn)慧差；不能校正其它色光的色差和球差，且場(chǎng)曲很大。關(guān)鍵詞：顯微鏡 消色差 物鏡 ZEMAX目錄一.引言11.1國(guó)內(nèi)外研究狀況11

2、.2研究設(shè)計(jì)目的3二.方案設(shè)計(jì)32.1設(shè)計(jì)原理32.2器件選擇與及各參數(shù)計(jì)算42.3原始系統(tǒng)參數(shù)輸入及像質(zhì)評(píng)價(jià)62.4利用ZEMAX做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)11三. 總結(jié)13參考文獻(xiàn)14一.引言1.1國(guó)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(guó)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, 鏡徑又小，球面像差和色像差嚴(yán)重。在復(fù)

3、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(guó)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(guó)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)已達(dá)到其理論極限（0.2um），而

4、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(chǎng)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(chǎng)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，我們稱之為第二類特種顯微鏡。 在20 世紀(jì)后半個(gè)世

5、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(guó)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(guó)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)、激光力顯微鏡(LFM)、掃描熱顯微鏡、掃描

6、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(lái), 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(chǎng)小、場(chǎng)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。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

7、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(chǎng)小、數(shù)值孔徑和視場(chǎng)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(chǎng)與提高視場(chǎng)邊緣成象質(zhì)量是十分必要的。顯微鏡物鏡可以有一下四種分類方式： 1按色差校正程度分類 （1）一般消色差物鏡：這種物鏡的鏡頭上基本都標(biāo)有“Ach”代表的就是消色差設(shè)計(jì)。 （2）平場(chǎng)消色差物鏡：這種物鏡的鏡頭上基本都標(biāo)有PLAN，代表的就是平場(chǎng)消色差設(shè)計(jì)，多用于顯微照相系統(tǒng)，適合直接用肉眼觀察。 （3）半復(fù)消色差物鏡：一般帶有FL字樣，能校

8、正紅、蘭兩色的色差和球差。這種可用于熒光觀察等，是比較高級(jí)的物鏡。 （4）復(fù)消色差物鏡：標(biāo)有APO字樣，是觀察和顯微照相用的一流物鏡，它們的性能只受物理定律的限制。該物鏡具有優(yōu)良的修正性和極其高的數(shù)值孔徑，所以在觀察和顯微照相術(shù)方面具有最大的分辨率、色彩純度、對(duì)比度以及圖象平直度。如奧林巴司 UPLAN SAPO 100X/1.40 OIL物鏡。1.2研究設(shè)計(jì)目的光學(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(chǎng)小、場(chǎng)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

9、進(jìn)成像質(zhì)量具有實(shí)際意義?；赯EMAX軟件設(shè)計(jì)出的顯微物鏡具有分辨率高、改善色差、視場(chǎng)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。二.方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)原理消色差物鏡是應(yīng)用最廣泛的一類顯微物鏡。為了提高分辨率，它的數(shù)值孔徑比較大。因此，它至少應(yīng)校正軸上點(diǎn)的色差，球差和正玄差。由于它的視場(chǎng)很小，所以，即使對(duì)軸外象差不做重點(diǎn)考慮，也還能滿足一般的使用要求。這種顯微鏡稱為消色差物鏡。顯微鏡的數(shù)值孔徑越大，放大率越高。在提高數(shù)值孔徑過(guò)程中，首先碰到的是高級(jí)球差的校正問(wèn)題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物鏡無(wú)法克服這一困難。因此，物鏡的結(jié)構(gòu)隨著數(shù)值孔徑的增大而趨向復(fù)雜。不同放大率和數(shù)值孔徑的消色差顯微物鏡

10、的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)一個(gè)消色差顯微物鏡，光學(xué)特性要求如下: 放大率 =-3 ，數(shù)值孔徑 =0.1，共軛距離 =195mm，物方線視場(chǎng) =1mm，工作距不能太小。 2.2器件選擇與及各參數(shù)計(jì)算于上述要求知，當(dāng)=-3，NA=0.1，即物方孔徑角近似為-0.1，=-0.1，相應(yīng)的象方孔徑角=-0.033，物鏡的總偏角=-=0.133。通常消色差的雙膠合物鏡能負(fù)擔(dān)的偏角小于0.15，因此透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖：1.求物鏡的焦距、物距和像距根據(jù) f=L/(1-)2設(shè)計(jì)要求共軛距為195mm，考慮到透鏡組有一定主面間隔，我們?nèi)mm=190， =3代入上式得f=4*190/(1+4)2=35.625mm物距l(xiāng)

11、和像距l(xiāng)分別為：l=-f(1-1/ ß)= -47.5mml= ß*l= 142.5mm 設(shè)計(jì)顯微物鏡時(shí)，通常按反向光路進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)檫M(jìn)行系統(tǒng)的像差計(jì)算時(shí)，物距l(xiāng)是固定的，在修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，透鏡的主面位置可能發(fā)生改變，上面計(jì)算出來(lái)的物平面到主面的距離隨之改變，當(dāng)按正向光路計(jì)算像差時(shí)，由于|>1，軸向放大率則更大（=2）。因此共軛距和物鏡的倍率將產(chǎn)生大的改變，偏離了物鏡的光學(xué)特性要求。如果按反向光路計(jì)算，對(duì)應(yīng)的垂軸放大率| <1，軸向放大率則更小，這樣就能使共軛距和倍率變化很小。反向光路對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)特性要求為：l=-142.5mm, l=47.5mm, ß

12、;=1/(-3)=-0.33, sinU=0.1/(-3)=-0.0332.原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初級(jí)像差求解（1）根據(jù)像差要求，求出P,W,C由于顯微鏡的物鏡和目鏡都要互換使用，因此設(shè)計(jì)顯微鏡的物鏡和目鏡時(shí)，一般都 不考慮它們之間像差的相互補(bǔ)償，而采取分別獨(dú)立校正，所以要求物鏡的球差，正弦差和軸向色差都等于零，即要求 S1=S11=S1C=0根據(jù)薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)相差公式，對(duì)單個(gè)薄透鏡系統(tǒng)有S1=hP S11=hzPJW=0 S1C=h2C由以上3個(gè)方程式很容易看到P,W,C的解為： P=W=C=0(2）將P,W,C歸化成P,W,C首先對(duì)h進(jìn)行歸化，P=P/(h)3,W=W/(h)2,C=C.f由

13、于P=W=C=0，因此P=W=C=0。由于物平面位在有限距離，還要將P，W對(duì)物平面位置進(jìn)行歸化，根據(jù) P=P-u(4W+1)+ u2(5+2) W=W-u(2+) 其中u1為 u= f/l=35.625/-142.5=-0.25;代入得到 P=0.15，W=0.675（3）求P0，根據(jù)P0，C查表選玻璃P0= P-0.85(W-0.15)2=0.0733根據(jù)C=0和P0=0.0733查附表2選玻璃，對(duì)顯微物鏡，在反向光路的情形，一般去冕玻璃在前。得到最優(yōu)玻璃組合： BaK7:n1=1.5688 V1=56ZF3:n2=1.7172 V2=29.5根據(jù)插值法得到：P0=0.11, Q0=-4.3

14、（4）求半徑 1=(C-1/V2)/(1/ V1-1/ V2)=2.1132=1-1=-1.113Q= Q0( W-015)/1.67=-4.614求得曲率：1/r2=1+Q=-2.501;1/r1=1/(n1-1)+1/r2=1.214; 1/r3=1/r2-2/(n2-1)= -0.949按焦距f'=35.625mm縮放半徑得到：r1=35.625/1.214=29.3451mmr2=35.625/-2.501=-14.2443mmr3=35.625/-0.949=-37.5395mm整個(gè)物鏡的參數(shù)為：l=142.5,y=-10,sinU=-0.033,lz=0。2.3原始系統(tǒng)參數(shù)

15、輸入及像質(zhì)評(píng)價(jià)在 General Lens Data中，輸入入瞳直徑為20，采用中國(guó)玻璃庫(kù)。視場(chǎng)選擇0、0.021、0.03 三個(gè)視場(chǎng)，波長(zhǎng)選擇“Select F，d，C”。由上述計(jì)算可知，原始系統(tǒng)的參數(shù)輸入如下：物距為142.5mm，由于透鏡厚度未知，可將雙膠合物鏡的正透鏡設(shè)為邊緣厚度0.1自動(dòng)求解，即加注后標(biāo)E，如上圖所示。輸入各表面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及玻璃材料之后，得到光學(xué)系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖，點(diǎn)列圖如下所示：從圖中可看出，系統(tǒng)成像質(zhì)量較差，需要優(yōu)化2.4利用ZEMAX做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)下面利用ZEMAX的自動(dòng)優(yōu)化功能做像差優(yōu)化設(shè)計(jì)，自變量選擇所有的半徑(r1,r2,r3)并將其設(shè)為變量V。評(píng)價(jià)函數(shù)采用

16、Default Merit Function 中默認(rèn)的操作數(shù)，加入的操作數(shù)有焦距EFFL，將目標(biāo)值Targets 設(shè)為35.625，權(quán)重Weight 設(shè)為1。軸向放大率PMAG，目標(biāo)值為0.33，權(quán)重也為1。由于要保證物鏡的共軛距離190，因此加入控制系統(tǒng)長(zhǎng)度的操作數(shù)TOTR，此操作數(shù)代表系統(tǒng)第一表面到像面距離，由于物距已固定為142.5mm，因此將TOTR 目標(biāo)值設(shè)為195-142.5=52.5mm，權(quán)重也設(shè)為1。此外，要控制物鏡的色差，加入操作數(shù)AXCL，值設(shè)為0，權(quán)重為1。然后使用Optimization自動(dòng)優(yōu)化，得到數(shù)據(jù)如下：優(yōu)化后系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖和點(diǎn)列圖如下：三. 總結(jié)1、要完成一個(gè)

17、簡(jiǎn)單光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)任務(wù)，首先需要根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸，其次根據(jù)像差的知識(shí)對(duì)鏡頭參數(shù)進(jìn)行估算，并根據(jù)估算結(jié)果選擇玻璃型號(hào)以及計(jì)算鏡片參數(shù)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)出的鏡頭，并使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以達(dá)到更理想的效果。2、在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，如果玻璃參數(shù)選擇錯(cuò)誤，無(wú)論如何優(yōu)化，可能都無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3. 從圖中可看出系統(tǒng)點(diǎn)列圖的均方根半徑已經(jīng)有所改善，但是幾個(gè)操作數(shù)實(shí)際值距目標(biāo)值還有一定距離，需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。4、對(duì)于顯微鏡系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)以及特殊應(yīng)用，其物鏡也有不同的結(jié)構(gòu)要求。由于本次設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡的放大倍率是10，數(shù)值孔徑為20mm，由于數(shù)值孔徑相對(duì)較大，所以物鏡的孔徑就會(huì)增大，那么和孔徑相關(guān)的球差也會(huì)大大增加，所以最終設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)采用的是兩對(duì)雙膠合透鏡組合的方式，這樣做的好處在于可以很好的矯正球差以及慧差。提高成像的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)參數(shù)嵌入到軟件中，在光學(xué)軟件ZEMAX里做了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果符合望遠(yuǎn)鏡物鏡的要求，成像質(zhì)量也可以。為了得到完美、真實(shí)的成像，物鏡必須進(jìn)行優(yōu)化。ZEMAX優(yōu)化以后與我手工計(jì)算的數(shù)據(jù)出入不是非常大。這一