光电134-苗书凡-显微镜物镜设计

1、大 连 民 族 大 学工 程 光 学 课 程 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：光电信息科学与工程 学 生 姓 名：苗书凡 学 号：2013151415 指 导 教 师：洪 义 、 丛 妍 完 成 日 期：2016-9-23 大连民族大学显微镜物镜设计摘 要 显微镜是人类这个时期最伟大的发明物之一，普通显微镜基本包括物镜和目镜，物镜对于显微镜有着重要意义，是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数，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

2、的双胶合透镜。一般的透镜色差、球差、慧差不能同时满足条件，本论文主要是显微镜物镜设计，运用光学设计软件ZEMAX进行数据分析，建立初始参数及模型结构，通过光学设计的基本要求对显微镜物镜进行光线追踪，分析并且优化初始选定的光学镜片的结构模型，然后通过计算进一步的确定优化后的镜片的合理性和可行性，由两个双胶合透镜组合的方法可以有效的消除像差。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。关键词：物镜；光学设计；显微镜；ZEMAX软件目 录摘 要I设计要求1第一章 绪 论1第二章 双胶合显微镜物镜手工计算42.1 双胶合显微镜物镜的推导公式42.2光线追迹求解系统焦距

3、f及后焦距值BFL42.3系统焦距求解7第三章 ZEMAX简介7第四章 ZEMAX验证初始参数及优化.84.1 初始结构参数、图像和数据84.1.1 初始结构参数 84.1.2 初始结构图.94.1.3 初始点阵图104.1.4 初始传递函数104.1.5 初始系统数据114.2通过ZEMAX进行透镜组合的优化.114.2.1优化后镜头参数.114.2.2优化后结构图.124.2.3优化后点阵图.124.2.4优化后传递函数.134.2.5优化后数据分析.13结 论14参考文献14致 谢15- I -显微镜物镜设计设计要求： 设计要求：采用两组双胶合结构，放大倍率：10倍，通光口径D：8mm

4、半视场高度：13.5mm， 设计波长：0.486um、0.587um、0.656um 计算：系统焦距f，D/f，后焦距（BFL）第一章 绪 论（一）显微镜及物镜简介： 显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分光学显微镜和电子显微镜:光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。其中对显微镜研制，微生物学有巨大贡献的人为列文虎克，荷兰籍。物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近

5、被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。物镜可以有一下四种分类方式：1按色差校正程度分类 a.消色差物镜: 这是常见的物镜，外壳上常有"Ach"字样，这类物镜仅能校正轴上点的位置色差(红、蓝二色)和球差(黄绿光)以及消除近轴点慧差；不能校正其它色光的色差和球差，且场曲很大。b.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。c.半复消色差物镜：半复消色差物镜

6、又称氟石物镜，物镜的外壳上标有"FL"字样，在结构上透镜的数目比消色差物镜多，比负消色差物镜少，成象质量上，远较消色差物镜为好，接近于复消色差物镜。d.特种物镜：所谓"特种物镜"是在上述物镜的基础上，专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的。2.按功能分类 a.相差物镜（Phase Contrast objective）：一般带有“PH”标志，字体用绿色。这种物镜是相差（相衬）镜检术的专用物镜，其特点是在物镜的后焦平面处装有相位板。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。  b. DIC物镜：一般要求半复消色差或复消色差

7、物镜，用于DIC镜检观察无色样品或细胞，图像呈现立体感。  c. HMC物镜：标有“HMC”标志，一种类似于相差物镜的物镜。观察效果有立体感。用于霍夫曼观察，但不能用于荧光观察。  d. 偏光物镜：一般标有“POL”字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光观察的物镜。  e . 荧光物镜：这种物镜的荧光透过率非常高，物镜用于对离子位移进行定性和定量的分析以及用于特别关键的荧光技术（如人类染色体的研究以及细胞遗传学）。这类物镜的突出特点是它们对340nm起的波长有特别高的数值孔径和高传输率（340nm时约为70%！）。视场平直足可以使用CCD照相。 

8、f. TIRF专用物镜：要求数值孔径大，NA一般为1.451.65。如尼康公司的APO TIRF 60×/100× 1.49物镜。  h. 多功能物镜：有的厂家生产一些多功能物镜，可以同时做相差、DIC、荧光等观察。例如奥林巴斯的UPLANFLN（万能平场半复消色差）物镜和蔡司的EC PLAN NEOFLUAR（高衬度平场新荧光）系列物镜。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。（二）光学系统设计1一个光学设计步骤基本上可以由一下四步来实现： （1）确定

9、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。然后通过光学追记的方法对光学系统进行初步的光线追记。 （2）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。 （3）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；（4）结合理论对结果进行数据统计分析是否进一步的优化。对于光学设计的几个基本步骤来说，每一步都是相关联的，所以要想设计出好的镜头，每一步都必须仔细操作，因为一步的失误会导致真个光学设计的失败。2.初级像差理论（1）球差球差亦称球面像差。轴上物点发出的光束，经光学系统以后

10、，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。一般是以实际光线在像方与光轴的交点相对于近轴光线与光轴交点(即高斯像点)的轴向距离来度量它。对于单色光而言，球差是轴上点成像时唯一存在的像差。（2）慧差 慧差由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。慧差的孔径大小受到光圈和视场的制约。（3）场曲 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

11、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。 （4）像散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。（5）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。（6）色差 由白色物点向光学系统发出一束白光，经该光学系列折射后，组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光，不能会聚于同一点，即白色物点不能结成白色像点，而结成一彩色像斑的成像误差，称为色差。 本文所设

12、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。第二章 双胶合显微镜物镜手工计算2.1 双胶合显微镜物镜的推导公式初始结构参数计算公式：转面公式 高斯公式 焦距公式 初始结构参数参照公

13、式2.2 光线追迹求解系统焦距f及后焦距值BFL已知量 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2.3 系统焦距求解 利用高斯公式、焦距公式和三角形几何关系可进行如下计算。系统焦距计算：系统焦距第三章 ZEMAX简介ZEMAX是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。ZE

14、MAX China提供完整的利用ZEMAX进行成像及照明系统设计的培训课程。ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMAX 可与其它机械CAD软件进行零件、装配体的转换及无缝衔接，更快速，更准确。 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

15、之上。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。ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。  ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广

16、大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。 ZEMAX主要特色： 分析、优化、公差分析、报表输出、Monte Carlo 分析、扩展光源分析、偏振光追迹、薄膜模型 对于实际的光学设计系统来说，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。第四章 ZEMAX验证初始参数及优化4.1 初始结构参数、图像和

17、数据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。4.1.1 初始结构参数 ZEMAX中输入了初始选定的设计参数后的对话框。 图4.1.1 设计的镜头参数对话框（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） 4.1.2初始结构图 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。 图4.1.2 光线追迹一维图 4.1.3初始点阵图（spot Diagram） 图4.1.3 spot Diagram4.1.4初始传递函数（MTF Plots） 图4.1.4 MTF Plots4.1.5初始系统数据 在ZE

18、MAX中选择，系统数据（System data），从下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20.11042（系统温度和压力在空气中）和 20.11042（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4.1.5 System data4.2通过ZEMAX进行透镜组合的优化运用ZEMAX软件进行镜头优化的时候，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。 4.2.1优化后镜头参数 图4.2.1优化后物镜镜头参数 通过图4.2

19、.1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。4.2.2优化后结构图如图： 图4.2.2 优化后光线追迹一维图4.2.3 优化后点阵图（spot Diagram） 图4.2.3 spot Diagram4.2.4优化后传递函数（MTF Plots） 图4.2.4 MTF Plots4.2.5优化后数据分析 通过图4.2.1可知本次设计优化之前设定的变量已经发生了改变，所以优化后系统数据也随着变化。图4.2.5 System Data结 论由于本次设计的显微镜物镜的放大倍率是10，数值孔径为8mm，由于数值孔径相对较大，所以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