徐建宇_2011153420_显微镜物镜设计

1、大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）显微镜物镜设计学 院（系）：物理与材料工程学院 专 业：光电子技术科学 学 生 姓 名：徐建宇 学 号：2011153420 指 导 教 师：芦永军 评 阅 教 师：张凤阳 完 成 日 期：2015-5-30 大连民族学院显微镜物镜设计摘 要普通显微镜基本包括物镜和目镜，物镜对于显微镜来说有着非常重要的意义，显微镜能够清楚的观察到像都离不开物镜的作用。光学设计中可以用像差理论、ZEMAX优化获得近于真实成像的双胶合透镜。一般的透镜色差、球差、正弦差不能同时满足条件，而本论文设计的由两个双胶合透镜组合的方法可以有效的消除像差。通过设计目标，

2、选择符合要求的的物镜的镜头数据。然后使用ZEMAX光学设计软件验证结论、优化镜头数据，最后使物镜满足设计要求。论文主要包括了显微镜的历史、ZEMAX光学应用软件的简介、光学系统设计的基本理论、显微镜物镜光学追记手工计算、ZEMAX软件验证和优化。关键词：物镜；光学设计；显微镜；像差；ZEMAXAbstractThe microscope contains eyepiece and object glass，Objective for microscope has very important significance .Microscope can clearly observed as is

3、 inseparable from the objective function .Aberration theory can be used in Optical design，ZEMAX can obtain Real imaging of Double agglutination lens.The general aberration、Spherical aberration、Poor sinusoidal cant At the same time satisfy the conditions，And design of this paper consists of two doubl

4、e agglutination lens combination method can effectively eliminate the aberration.Through the design goals, choose to meet the requirements of the objective Then use ZEMAX optical design software validation conclusion, optimization of the lens data, finally to meet the design requirements of the obje

5、ctive lens data Paper mainly includes the history of the microscope, the introduction of ZEMAX optical application software, the basic theory of the optical system design, and optical microscope objective lens progress of manual calculation, ZEMAX software validation and optimization. Key Words：obje

6、ctive；optical design；microscope; aberration; ZEMAX目 录摘 要IAbstractII1 绪 论12 ZEMAX简介23 光学系统设计基本原理33.1 光学系统设计步骤33.2 显微镜物镜分类33.3 初级相差理论64 双胶合望远系统物镜手工计算74.1 双胶合望远系统物镜的推导公式74.3 系统焦距求解115 ZEMAX验证初始参数及优化115.1 初始结构参数115.3视场角度设定125.4设计主要波长设定135.5镜头参数设定145.6 通过ZEMAX进行透镜组合的优化设计16结 论20参考文献21致 谢22- III -望远系统物镜设计1

7、 绪 论人工玻璃是人类发现并且制造最早的光学元器件。在公元前一世纪,当时的人们能够使用类似于球装的原件来来使小的物体能放大成像,更好的便于人们观察。然后逐渐学会使用球形玻璃放大器使物体放大的成像法。光学镜片的早在中国公元前就已经发明了。但是对于当时制造技术来讲，很难达到好的成像的质量。因为想要好的成像的质量就必须解决一片镜头的弊端，而对于一片镜头的弊端就是系统整体的直径受到焦距和放大倍率的严格限制，还有加工行业的技术要求都很难达到效果比较好的光学系统。对于当时的人来说想要达到更大的放大倍率就必须另辟蹊径，找到更好的方法是尤为重要的。在16世纪的结束,关于荷兰眼镜商杰森和他的儿子把透镜放入缸,结

8、果发现缸看到惊人附近的对象,这是现在的前任显微镜和望远镜。这时候就有人发现了使用两个镜片结合的方式就会大大提高成像的质量，自此人们有逐渐的研究和尝试了不同透镜的组合的方式，大大推动够了光学行业的发展。复合显微镜性能优于单一的显微镜，有了复式显微镜的发现，对于显微镜的发展有的极其重要的价值。另外，相对于单一的透镜组合复式显微镜有这相当明显的优势，加工起来也会更加的容易，生产过程相对简单,不需要磨一个小镜头。自从有了这种组合形式的显微镜的发明，微观世界的概念也逐渐被人们所认识，人们开始知道原来在肉眼不可见的部分还有我们所不知道的世界存在，同时也促进了医学的研究。虽然说但是的透镜组合形式的显微镜有着

9、明显的优势但是对于但是的人们来说还是很难的去接受和认识到这一点，这也导致了在这段时期显微镜发展的还是相对比较缓慢的，另外由于但是理论技术不够成熟，色差也成了一个比较大的障碍，一段时间不能的到人们的重视。由于不重视,18世纪复合显微镜发展缓慢,但仍取得了一些美丽的显微镜。由于当时的制造业还不能像现在这么发达，所以对于显微镜的外观上都几乎千篇一律，没有什么太多的差别，基本上所有的外壳都是用木制的，木制的外壳同样也有着自己独特的优点。在英国，有一位专注与研究显微镜技术的工程师JohnCuff靠着自己多年的理论知识和研究成果独创了全新的显微镜，在接下来的一段日子里，越来越多的人开始熟悉使用和学习这种显

10、微镜，这种显微镜的到了很好的发展，它们统称为袖口显微镜。19世纪,进入了工业时代的人们也没有忘记对显微镜技术的发展,由于工业革命大大的提高的制造业技术的发展，使得光学系统的透镜的合格率也有了显著的提高。各种各样的新技术也出现了。进入了计算机互联网时代之后，可以在显示屏上直观的更好的经行数据统计和计算，这对于任何一门技术的发展都有着重要的影响，有了快的计算的技术，加快了生活的节奏，到同时也使得各项技术加速发展，显微镜技术在这种大的环境之下也显著提高。本篇论文主要是设计显微镜物镜的结构，运用光学设计软件ZEMAX经行数据分析，建立初始的模型结构，通过光学设计的基本要求对显微镜物镜进行光线追记，分析

11、并且优化初始选定的光学镜片的结构模型，然后通过理论计算的方法进一步的确定优化后的镜片的合理性和可行性。物镜是显微镜的众多仪器件中的不可或缺的重要的组成部分，可以说是物镜设计的好坏直接影响到显微镜的成像效果。本文所设计的显微镜物镜是通过两组镜片的结合而组成的一个组合的透镜，通过组合透镜的方法可以做到尽量的减小用一个透镜所不能达到的较好的成像效果，对于显微镜物镜而言，成像的效果是尤为重要的，因为显微镜多数情况下都是用来观察人的肉眼所不可见的微小物体的，试想一下如如果没有好的成像质量那么对于微小物体的观察是非常不利的。所以通过透镜组合的方法在光学设计中经常被用到的。另外显微镜的之所以能够实现放大的功

12、能，其主要也归功于物镜，所以对于显微镜物镜初始结构的选择是本次设计的重中之重。2 ZEMAX简介学习光学设计最好上手的就是ZEMAX软件，对于该软件来说，你只需要掌握基本的光学基础知识，像差理论，就可以设计出比较好的镜头，如果再结合像差理论和多年的镜头设计经验成为好的光学设计师。ZEMAX软件界面友好，资料丰富容易上手，既可以直接选择，又可以根据用户的需求自定义结构。可以通过该软件经行对光学镜头数据的分析和初步的光线追记，清楚的展示在界面之上。可建立偏振镀膜和温度气压等方面的分析。软件内部提供了强大的计算分析能力和默认的评价函数都可以为用户的设计提供有利的帮助，软件还提供了前人设计的大量的数据

13、库资料，方便设计师经行参考和学习。对于大部分光学设计工程师来说，有了这个软件等于节省了相当大的设计周期，大大的提高了光学设计的效率。可以说是光学设计者的福音。ZEMAX的应用范围还非常的广泛，比如传统的照相机的设计数码相机内窥镜等等一系列光学镜头的设计。对于实际的光学系统来说，都会存在着多种的像差，所以很好的分析和减小像差对于光学系统有着非常重要的意义，在计算机技术高速发展的时代，计算能力的大大提高，人们就想着利用计算机的计算能力方面的优势来解决以前大量的繁琐的计算过程，因为对于光学系统的理论计算是非常复杂的，在这种条件下美国的一家公司设计的这款名为ZEMAX的光学设计软件，通过在ZEMAX中

14、建立想要设计的光学系统的模型，输入镜相关的参数数据如曲率半径和光学玻璃材料还有就是玻璃材料的厚度，建立初始的设计模型，软件还提供了2D3D图形的输出还有弥散斑均方根的计算，很好为光学设计者提供了帮助。3 光学系统设计基本原理3.1 光学系统设计步骤光学仪器就是当光线通过该仪器的时候光路会根据仪器内部的镜头的组合设定发生相应的变换，进而达到设计要求的成像。评价一个光学系统好坏的依据就是分析光学系统的像差和焦距通过理论计算判定是够能够达到实际生产的标准。一个光学设计步骤基本上可以由一下四步来实现：一、确定设计的目标和考虑实际设计参数，通过一定的理论计算的方法确定整套光学系统的设计方案。然后通过光学

15、追记的方法对光学系统进行初步的光线追记。二、确定好要设计的光学系统的结构，通过查询资料或者手工计算的方式去选择设计的初始结构。三、运用ZEMAX软件设定评价函数和可控制变量，检测运行优化后的镜头是否满足设计要求判断像差是否合理；四、结合理论对结果进行数据统计分析查看是否需要进一步的优化。对于光学设计的几个基本步骤来说，每一步都是环环相扣的，所以要想设计出好的镜头，每一步都必须谨慎经行，因为一步的失误会导致真个光学设计的失败。另外对于光学系统的整个流程来说都具有有比较好的的可调整性，所以最好是在能达到设计要求的情况下尽量的寻找一个相对简单的设计方案，简单的方案意味着也要考虑实际装配的过程中问题，

16、因为一个再好的设计最终也会落实到实际的产品生产。3.2 显微镜物镜分类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

17、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 UPLAN SAPO 100X/1.40 OIL物镜。图3.2显微镜物镜镜头2按功能分类 （1）像差物镜（Phase contrast）,用来观察无色透明的标本或活细胞，倒置显微镜上使用广泛，一般带有PH标志，且字体用绿色。 （2）DIC物镜，可以做DIC的物镜，一般要求半复消色差物镜，DIC观察无色样品或或细胞。 （3）HMC物镜，标有HMC标志，一种类似像差物镜的物镜，观察效果有立体感比较强，但不能用于荧光观察。 （4）偏光物镜，一般标有POL字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光的物镜。 （6）多功能物镜，有的厂家

18、生产一种多功能物镜，比如可以同时做像差，DIC，荧光等，这种物镜要稍微贵些。一般带有U标志,比如奥林巴斯的”UPLFLN”物镜和蔡司的”EC PLAN NEOFLUAR”系列物镜。 3按工作距离分类 （1）普通物镜：工作距离可以看切片，但不能看培养皿。 （2）长工作距离物镜：一般有LD标志,例如奥林巴斯的LUCPLFLN-PH物镜和蔡司的LD-A-PLAN PH物镜。这些物镜可以用于培养皿、培养瓶等容器的观察。工作距离高至10.6mm，并可以进行光学修正，适用于02mm厚度的盖玻璃，通常由修正环或特殊的玻璃盖帽完成修正。4物镜上有很多的参数标记,来帮助大家识别物镜的等级和功能。下面用NIKON

19、的一款物镜做例子以解释物镜的重要参数： (1) NIKON 制造商名称: 尼康公司 (2) PLAN APO 物镜的名称: 平场复消色差物镜 (3) 60X 放大倍数: 60倍 (4) 0.95 数值孔径: 0.95 (6) DIC M 功能: 可以做DIC (7) /0.11-0.23 表示无限远筒长/盖玻片厚度 (8) WD 0.15 表示工作距离 显微镜系统的物镜是整个光学系统的将光线收入到系统内部的元件，物镜的好坏必定直接影响到真个显微镜的质量，所以确保物镜的性能和保证物镜光学特性是非常重要的。3.3 初级相差理论1、 球差因为照相镜头前端的球面上的每一点的镜头聚焦能力并不是相同的。从

20、远处照射来的平行光应该收敛在特定的焦点。但由于近轴光线和远轴光线的汇聚点不是同一个点,从而汇聚但不会成为一个点光源,而是集中在一个以光轴为对称中心线的弥散圆,称为球面像差畸变。因为球面像差的存在,导致成像模糊,从图2-5可以明显看出,模糊与光圈的大小有很大关。当处于小光圈时,光圈阻止光的远轴光线,弥散斑的直径就变得比较小,成像便是清楚的。当光圈变大的时候弥散斑直径变得相对较大,从而导致图像变得模糊。2、慧差慧差是主轴外某一轴外点进行成像的时候产生的像差。从光轴发射出一束水平的光通过光学系统,得到的图像呈现在平面上并不是一个点,产生一个不对称的分散点,分散点的形状貌似一颗彗星,由内至外分散的光由

21、薄到厚,头端明亮、清晰、广泛的尾端,暗淡,模糊。类似这样的离轴光束形成的像差被叫做慧差。慧差的孔径大小受到光圈和视场的制约。我们也可以在适当的时候使用较小的光圈来降低慧差对拍照产物的干扰。3、场曲和像散当使用存在场曲的透镜进行拍摄时,只有调焦至中心时影象才能清晰,而四周的影像却是模糊的,当调焦到四周影像清晰的时候,画面的中心位置却开始模糊,在平直的象平面上无法获取中心与四周同时清晰的像。可以理解为一种轴外形成的像差。但是较慧差有许多差异，像散只与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的汇聚点与弧失光束（镜头圆弧方向）的汇聚点位置不同，这种现象称为像散。像散

22、就好似人眼的散光一个意思。一旦人眼散光，在两个方向上的晶状体曲率产生差异，导致看到的事物分散成一条短线。4、 畸变指的是所成的像的形状发成了形变。畸变只会对象与物的相似度产生影响，但是不会使像的清晰度受影响。因为畸变,导致物方的直线在像方看来就成为了一条弯曲的线，从而导致失真的效果。畸变分为两种：枕型和桶型。产生畸变的根源是因为镜头像场中央横向放大率不同于边缘地带的横向放大率造成的。如图2-7所示,枕型畸变是由于左右两边的放大率>上下两边的放大率造成的，而造成筒型畸变的原因恰恰与枕型畸变相反。镜头的畸变像差与透视畸变并非同一个意思，镜头畸变是由于镜头产生的，在设计镜头的过程中不妨使用非球

23、面镜使畸变缩小甚至消除。而透视畸变是由视点、视角、镜头角度决定的，这才是透视畸变的不变规则。4 双胶合望远系统物镜手工计算4.1 双胶合望远系统物镜的推导公式由一般光路计算公式：(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)可推导出近轴光路计算公式：(4.7)(4.8)(4.9)(4.10)(4.11)(4.12)转面公式 (4.13)高斯公式 (4.14)焦距公式 (4.15)初始结构参数参照公式(4.16)第一面光路追迹平行光入射第一次转面第二面光路追迹第二次转面第三面光路追迹第三次转面第四面光路追迹第四次转面第五面光路追迹第五次转面第六面光路追迹4.3 系统焦距求解 利用高斯公式、焦

24、距公式和三角形几何关系可进行如下计算。系统焦距计算：系统焦距5 ZEMAX验证初始参数及优化5.1 初始结构参数图5.1 物镜镜头初始数据（本次设计显微镜物镜结构：OBJ代表物方平面，STO代表光阑面，IMA代表像方平面）设计目标：采用两组双胶合结构，放大倍率：10倍，通光口径D：4mm半视场高度：13.5mm， 设计波长：0.486um、0.587um、0.656um5.2通光口径设定对于一个光学系统来说，通光口径是该光学系统重要的参数之一，使用ZEMAX软件经行光学设计的时候，需要通过软件给定的功能去设定通光口径的值，给予软件计算时所依据的重要数据。如图5.2.1所示，在打开ZEMAX软件

25、后，会出现ZEMAX的主要操作界面。选择系统菜单下面的通用配置，在所弹出的对话框中会看到光圈数值一栏，依据本次设计的初始结构参数，对光圈数值设定为4，单位是mm，点击确定。图5.2.1 光圈数设定对话框5.3视场角度设定在ZEMAX主菜单中选择系统菜单下的视场，弹出的对话框为视场设定对话框，对于本次设计来说，市场类型选择角度（度），添加三个市场角度，x视场保持不变仍然为零，y视场分别为0、6、13.5。点击确定结束对市场角度的编辑。图5.3 视场角度设定对话框5.4设计主要波长设定在ZEMAX主菜单中选择系统菜单下光波长，弹出的对话框为主要设计波长的设定对话框，对于本次设计来说，直接点击选择按

26、钮，选择ZEMAX软件中为我们提供的默认的设计波长（F，D，C（Visible）。点击确定结束对主要设计波长的编辑。图5.4 主要设计波长设定对话框5.5镜头参数设定本次所设计的显微镜物镜采用的是四片镜片两两组合的方式，利用的两个双胶合透镜组合的形式。设计镜头数据需要先选中OBJ（物平面），按下键盘的ins键插入平面，连续插入三次后将光标移动到IMA（像平面）上面，继续ins键盘连续插图三个平面，到此时为止就已经建立了设计的初始模型，接下来只需要在相应的半径（Radius）、厚度（Thickness）、玻璃（class）项目栏下面输入已经选择好的设计参数。如图5.5所示，是在ZEMAX中输入了

27、初始选定的设计参数后的对话框。图5.5 设计的镜头参数对话框此时，在ZEMAX中选择分析>草图>2D草图，会出现如下图的显示结果。通过2D草图的直观展示可以看出本次所设计的显微镜物镜的基本模型。显微镜物镜初始结构2D草图在ZEMAX中选择，报告（Reports）>系统数据（System data），从图中可以看出通过光学设计软件所计算出来的有效的焦点长度为19.92236（系统温度和压力在空气中）和 19.92236（在像空间）。优化的时候可以将有效的焦点长度设定为20，单位mm。图System data5.6 通过ZEMAX进行透镜组合的优化设计运用ZEMAX软件进行镜头优

28、化的时候，第一步需要做的就是明确优化的目标。本次设计所需要的优化的目标就是运用软件自定义的优化函数进行设计，在优化函数的基础之上添加一个权重（Weight）为1，设计有效焦距为20的选项。另外为了达到比较好的优化的效果，变量的设定也是非常重要的，对于本次设计，保持玻璃材料不变，通过设定半径（Radius）、和厚度（Thickness）为变量，然后建立评价函数，经行优化就可以了。运用ZEMAX软件，将光标移动到半径上面，通过快捷键Ctrl+Z来设定优化变量，在变量设定好了之后需要构建评价函数。选择编辑（Editors）>优化函数（Merit Function）在弹出的对话框中选择工具（To

29、ols）>默认评价函数（Default Merit Function）。如图5.6（a）所示。然后选择RMS、Wavefront、Centroid，高斯求积方式下的环带（Rings）和臂（Arms）分别设定为3 和6 。点击确定键结束评价函数的编辑。图5.6（a）优化函数窗口在生成的评价函数中添加一个类型（Type）为EFFL，Target值为20，权重（Weight）为1的选项。然后结束对评价函数的编辑。在ZEMAX中选择工具（Tools）>优化（Optimization），在弹出的优化对话框中选择自动更新，然后点击优化，软件会根据预先设计好的优化函数进行计算优化。如图5.6（b

30、1）和5.6（b2）所示，可以很容易的观察到，优化前的MF值为0.581817，进过优化后的MF值明显降低，已经接近于0，可以说达到了很好优化效果。图5.6（b1）优化数据后对比图图5.6（b2）优化数据后对比图优化后镜头参数和分析报告图5.6（c）优化后物镜镜头参数通过图5.6（c）可以观察到对于本次设计优化之前设定的变量已经发生了改变，这就是ZEMAX优化之后的镜头参数的数据。图5.6（d）系统分析报告图5.6（d）优化后镜头的2D草图结 论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4mm，由于数值孔径相对较大，所以

31、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。参考文献1 Jun Amako Daisuke Sawaki and Eiichi Fujii, Microstructuring transparent materia

32、ls by use of nondiffracting ultrashort pulse beams generated by diffractive optics, J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 20, No. 12/December 20032 Ofer Manela Mordechai Segev Demetrios N. Christodoulides, Nondiffracting beams in periodic media, October 1, 2005 / Vol. 30, No. 19 / OPTICS LETTERS3 Jason Spyromilio

33、, Telescope mounts and dome structures, Exp Astron (2009) 26:1934 DOI 10.1007/s10686-009-9157-64 Neil Gehrels · John K. Cannizzo, Gamma-ray telescopes 400 Years of astronomical telescopes, Exp Astron (2009) 26:111122 DOI 10.1007/s10686-009-9164-75 James M. Cordes, Back to the future: science an

34、d technology directions for radio telescopes of the twenty-first century, Exp Astron (2009) 26:7994 DOI 10.1007/s10686-009-9167-46 李晓彤,岑兆丰.几何光学·像差·光学设计.浙江大学出版社,2003 7 G. Ai S. Jin S. Wang . Ye S. Yang, Introduction to the Solar Space Telescope,J. Astrophys. Astr. (2000) 21, 141-1478 Hubert

35、 Halloin, Laue diffraction lenses for astrophysics:From theory to experiments, Exp Astron (2005) 20:171184DOI 10.1007/s10686-006-9063-09 毛文炜.光学工程基础（一）.清华大学,200610 郁道银,谈恒英.工程光学.机械工业出版社,2008 11 赵丽萍,赵子英,邬敏贤,金国藩,严瑛白.折射混合望远物镜的设计、制作及实验.光学技术,(3),1999,28-3112 白清兰.复消色差的短波红外望远物镜设计.光子学报,38(1),2009,115-11913 安连生.应用光学. 北京理工大学出版社,200814 粱铨廷.物理光学. 电子工业出版社,200815 袁旭沧主编.光学设计.北京理工大学出版社, 198816 Movie lens design group.Optical design of movie camera l