显微系统的结构设计

摘要显微镜是近现代科学史上十分伟大的发明，它的出现大大促进了生物科学领域的发展，为人类在生物微观世界的发展做出了十分重大的贡献！本文着眼于显微镜的发展历史，进一步分析优化显微镜的结构设计，利用光学系统分析来验证优化成果。论文主要分为三大部分：（一）介绍显微镜的发展历史及研究重难点。（二）基于ze-max进行简单连续变倍显微镜的设计（三）对优化后的显微镜进行光学系统分析。由于全部优化，工作量十分庞大，本文只针对显微镜物镜进行了优化。关键词：连续变倍显微物镜ZE-MAX光学系统分析Abstract：Microscopeisagreatinventioninthehistoryofmodernscience.Itsappearancehasgreatlypromotedthedevelopmentofbiologicalscience,andhasmadeagreatcontributiontothedevelopmentofhumanbeings!Inthispaper,wefocusonthedevelopmenthistoryofmicroscope,furtheranalyzeandoptimizethestructuredesignofmicroscope,anduseopticalsystemanalysistoverifytheoptimizationresults.Thispaperisdividedintothreeparts:(1)thehistoryofthedevelopmentofthemicroscopeandthedifficultiesoftheresearch.(two)thedesignofasimplecontinuouszoommicroscopebasedonze-max(three)opticalanalysisoftheoptimizedmicroscope.Becauseofalltheoptimization,theworkloadisverylarge,thispaperonlyformicroscopeobjectiveoptimization.KeyWords：ContinuousvariablexmicroscopeobjectivesZE–MAXTheopticalsystemanalysis绪论1.1选题依据及研究意义1.1.1选题依据在公元前一世纪。人们发现一个球形透明物体可以通过观察小物体来放大。逐渐地，球形玻璃的表面被称为放大图像。显微镜在科学研究和工业测量中有重要的作用。它的主要用于观察和测量小物体。随着科学技术的发展和测量要求的提高，显微镜的性能不断发展。在某些情况下。科学研究和工业观察对物体。它对于整个轮廓和细节的观测需求同时存在的。需要显微镜更好的时间，观察不同大小的视图，得到不同比例的微观图像。传统的显微镜是由目镜和物体透镜组成。目镜和物体镜的倍率不同，通过组合来实现放大。假设使用液态氧的目镜,4x,10x,50x和100x40物镜转换,x可以达到40,100x400x1000x放大,目镜来取代12.5倍时,可以达到50x125x125x1250x放大。这种倍增方法的缺点是，放大受有限数量的选择限制，而其他的乘法被限制。随着电子信息技术的发展，光学显微镜和数字技术迅速结合。传统的眼显微镜在长时间运行后容易产生视觉疲劳，视觉观察的结果不易记录和处理。数字显微镜是一种电子目镜，通过显微镜将其转换成电子目镜，然后图像到图像传感器。数字显微镜具有大的视觉、真实、直观的易记录和其他特点，逐渐取代视觉显微镜，通过色散棱镜的大量显微镜，可以同时实现视觉和数字的观察。显微镜照明结构有多种方式，用于实现明亮的场、暗场和倾斜的照明模型、一些额外的照明、照明、照明灯管等，设计合适的显微系统具有重要的意义.1.1.2研究意义

时代的变化，我们的科技越来越发达.人们从以前远视天上的星球到现在可以通过天文望远镜来观测很远的星系.同样今天的我们可以观察更细小以至肉眼无法官测的细胞和细菌等，这是源于我们对事物的好奇心，同时这也是我们生活中遇到的坎坷迫使我们对科技的不断追求和完善，相信现在人们的生活已经离不开科技的帮助，但是科学技术的追求是永无止境的，为了让我们的生活更加的便捷，同时也为了解决现阶段人们生活所遇到的各种问题以及对未知的世界的探索我们需要不断的研究和摸索，今天的研究的是对显微系统的结构分析，现在不管是医生还是天文学家都离不开显微系统结构的需求，我们需要充分利用这样的系统来满足我们的需求，以前人们只能通过大自然神奇的药草来解决身体的各个毛病，但这是一个长期的过程，现在我们可以利用显微系统来进行手术，可以达到立竿见影的效果，这就是突破也是进步，也就是我们现在常用的光学显微系统。前人已经为我们打好了很好的基础，我们要吸取前人的精髓来进行更好的创新和更实用的系统设计，这是我们这新一代的使命和责任。1.2国内外的研究现状1.2.1国内现状研究现代光谱成像技术可以适用于任何的技术检测。例如：样品检查和生物的个体差异因素。不同的人在同样的生物组织光谱也不同。同时也根据难以组织的分布的特点。来准确的确定光谱的特征峰和识别不利的影响,光谱的缺点。进一步推动高光谱显微图像检测技术应用。也同时设计和建造一组基于液晶滤光片光谱和荧光光谱测试源容器类型和高光谱显微图像。这些种类的系统往往结构优化和选择光光学低缺陷,根据高光谱图像显微系统推广。另外,胃癌的细胞中,本文提出了一种有效的方法,可以有效地避免癌细胞光谱识别方法的生物个体差异带来的负面影响,大幅提高了光谱识别的准确性。丹教授的数字全息显微技术的应用领域。这个技术的问世解决了低数字历程光源全息显微镜的光源。同时这个技术没有任何限制区域长光勘察、设计和建设全息显微镜数码控制系统硬件和数据处理问题。(1)大曲率的表面磷光在学习,元件的地形测量的问题,提出了在倾斜的磷光学元件的折射率匹配液,传输的光的频率,相位测量,减少学习实现的磷光元件。人利用双波长的数字全息显微光学元件的折射率分布的方法。体现出三维相位分布的微光学元件的目的。从而理论和实验结果分析。该方法学元件光折射率分布是未知的。显微镜,使用低数值孔径表面是个问题。它的微观形态青白曲率测量问题的成功的结果可以让我们在大曲率表面微阵列的三维测量镜头,数字全息显微术耳目的应用领域更好的掌握。(2)利用数字全息显微技术。这个动态观察人类的红细胞。同时鼠标的自然形态的划分成纤维细胞分化的过程也可观察。观察的结果,鼠标纤维母细胞相分布的相分布的正常细胞比相分布,结束了分裂的过程中,逐渐与正常细胞的细胞分裂相的分布一致。(3)低相干光源离轴数字全息显微镜,没有任何限制的长度的光源检测的问题,提出了基于光区探测的对象扩大差距的光路光区扫描方法。通过调整对象的光和参考光光干涉条纹扫描,比赛内容区域的光路差,光场的比赛,整个测定。这个方法是简单的方法和简单的实验装置。(4)在相移数字全息显微术里。我们可以准确地提取的实际相位移直接再现精度决定。这个问题,源于基于两步相移数字全息显微术的方法。这个方法可以提取的实际数量的相的方法重建的最大噪声参考光的判断标准。但是同时得使用迭代算法比实际的相移量。来测量他的数据误差。(5)为了实现生物细胞的鲜活时间。我们也是必须实时观察。从而设计和构建一组的传输类型的数字全息显微镜系统。这个项目可以完成相关的硬件控制系统和数据处理系统的设计和开发。并使用系统完成最初的观察纤维细胞鼠标。1.2.2国外现状研究在人们通过对国内外红外显微成像系统应用的研究。高灵敏度传感器电路的红色和可以通过高速实时数字图像探测电路。研究内容在内的,确定了红色的图像系统相关性能。研究了焦平面阵列探测器；红外图像；图像电路；算法的光学；红外图像的结构系统。这是各部分的设计特点和设计进行了讨论。光学结构,完成了图像和图像算法的电路组合完成。也完成了红外显微图像系统的原型。摘要利用滤波设计的有效方法是,视频驱动电路的核心部分图像系统的图像。我们的标本的收集利用的保证的低噪音的地位进行了调整。对图像的质量,通过分析系统的噪音性能的敏感性和综合评价等指标进行了分析,并对关键图像测试对象的性能进行了测试,加粗和一系列的参考对象。平台结构的实际实验表明，红外显微成像系统的设计达到51mk；最小分辨率为55.7μm。并且通过扫描微位移平台和像素，高分辨率图像重构后的分辨率为39.4微米。系统图像质量好，工作稳定，满足微成像的要求，具有广阔的应用前景。在部分的相干的光干涉原理中得出了一些改进的手段。一般采用三种干涉显微镜目标的结构形式进行讨论。并给出了三种微观干涉强度表达式以及模型的详细推导。围绕干涉显微镜的光学结构设计详细讨论；针对成像光路；照明光路和强度匹配三个方面分别提出了设计要求和解决方案。微观结构在内的系统选择和干涉显微镜,例如结构形式的选择物镜的光学设计和图像质量评价、照明方式的选择和设计,与光的强度匹配等问题考虑了相关的内容。本文在将于干涉显微镜的控制问题。我们也研究了分散的等多种原因。也讨论了干涉条纹的影响,数值孔径,等考虑的因素在内。只有通过的干涉模型的基础上,实在光干涉强度的存在抑制了表达式作为一个正确的数值,不同分散通过模拟实验的结果证明了孔径干涉条纹的影响程度不同。最后，分析了不良边缘对比度的实际测量系统，测量了系统和平板表面的剩余畸变。讨论了干涉条纹影响的剩余畸变。1.3主要研究内容及思路1.3.1研究的主要内容主要研究内容显微系统的工作原理显微系统的发展历史系统的结构参数计算显微系统结构设计1.3.2研究思路本文首先通过对以往的文献资料进行检索，对大视场目镜有关的资料进行整理和收集，确定目镜的光学系统结构，而后进行目镜的设计，最后对设计的目镜使用Zemax软件仿真模拟以及像差的校正及像质评价，确保设计的可行性和实用性。1.4研究的创新点及重点、难点1.4.1研究创新点文中在人们研究的基础中，总结了显微结构的设计基础。也对对几种常见的显微结构进行介绍和分析。以往的研究仅仅是对前人研究的改进，或者是对整个显微镜的研究进行了综述，并没有对显微系统进行过综述，本文在此处有了创新。1.4.2研究重点显微系统的工作原理系统的结构参数计算显微系统结构设计1.4.3研究难点显微系统的发展历史久远，存在的研究也是方向各异，本文需要从众多的研究中整理出需要的文献资料，需要花费大量的时间和精力。（1）显微系统结构参数的设计应当合乎逻辑并具有一定的实用性，对于初次设计显微系统的大学生具有一定难度。（2）显微系统种类较多，本文需要考虑的因素也就非常多，对于设计有一定阻碍。2基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计2.1变焦原理正常的变焦组不在范围内。这需要通过光显微镜对指定的物体平面成像来改变飞机上所需的时间系统，这种组合在固定的组之前被称为变量乘以系统。如果改变时间的大小和位置成像系统使用要求是不同的,所以需要一个透镜或镜子设置将改变这个时候时间系统扭曲和放大到所需的位置,以满足要求的成像位置和大小,透镜或反射镜后被称为一个固定的群体。所以，一倍透镜通常被分为几个固定的组，这些固定组分为：１、变倍组2、补偿组3、后固定组

变焦依赖于变倍组和补偿组二组元同时运动，虽前固定组和后固定组的焦距不影响变倍比，但影响机械补偿法变倍系统的基本结构中。figensation的机械补偿法变倍过程示意图Fe整体焦距在特定范围内的变化。在变焦的过程中，镜像组1、2、3、4是之前的固定组、变化组、补偿组和后定组，组的间距为d12d23d25。它们是不同乘法的复合补偿组的位置关系。前一组固定组是为了使对象出现在双组2中，d12min只是为了确保两个组之间没有冲突。成像次组和补偿按照特定的焦距范围成像[1],整个系统的焦平面的像差和时间部分(包括前固定,变倍组和补偿)相匹配,以确保系统的像差平衡的改变。由于这个原因，需要双重系统满足比例的变化和表面积的稳定性，并且要求多比的图像质量。D35min值来确保变化时候,薪酬不是固定的群体相撞,但镜头组需要根据之间的最小距离镜头前的一次侧和一次侧第一次,最后一次的距离来确定[2]2.1图示2.1图示2.2设计过程设计技术指标：显微物镜的放大倍率为0.7x~4.5x，像高为3mm，数值孔径NA<0.9，波长为0.586～0.656μｍ，物像共轭距＜400ｍｍ，工作距离为50～100ｍｍ。2.2.1初始结构的选定连续变倍显微镜所使用的传统方式已经不尽人意了

初始的光电路足够低，它所显示的光主要是光和边缘光。如您所见，系统很简单，符合设计要求。为了便于比较，分析了低功率反演结构，从低功率的MTF曲线，分别在切平面和矢状平面成像MTF曲线的各个领域分别显示了T和S。可以看出图像不太好，所以使用产品作为初始结构2.2.2Zemax相差的修正在我们取得设计时，就需要对变量进行控制，一般就是对空气的间隙和玻璃的空间来进行设定。然后对于变焦结构的设计我们需要进行数据的严格设计。对于此次的设计，对各组态下的放大倍率使用PMAG操作数对镜片的长度使用TTH1操作数进行约束。通常在低功率设计参数数据,低功率时将修改前的数据设计优化好几次,最后团队系统有很大的平衡效果,优化的放大,这样您就可以保证成像质量好,终于完成了光路的整体设计。2.2.3设计结果这个设计主要运用k9、zf3、f1玻璃的组合。前固定组的焦距为41mm、变倍组焦距为-32.85，补偿组的焦距为-24mm，后固定组的焦距为42mm。后固定组第一片是孔径光阑，低倍时满足孔径要求，通常采用最常见的30万像素的1/3英寸CCD作为接收器，其尺寸为4.8mm×3.7mm，他的鉴别率线宽是：d−QUOTE=0.00759mm因为我们的设计是采用倒置光路设计，转到物方，有ｄ＝0.00759/β在低倍时，β＝0.8，因此，ｄ＝0.00759/0.7＝0.01084mm

因此，ｄ＝0.00759/2.3＝0.0033mm，所以，物方的鉴那么在高倍的时后，β＝4.5，则，ｄ＝0.00759/4.5＝0.00168mm，这时物方的鉴别率可以得出图Ｆ的曲线，所有倍率下的MTF曲线靠近衍射最末端，在这样的低倍0.7视场在46ｌｐ/mm时的MTF值为0.35；中倍0.7视场在151ｌｐ/mm时的MTF值为0.14；而高倍0.7视场下的辨别率略小于296ｌｐ/mm，能满足我们的要求图表明了多个视场的点列图fM，这时我们明白尺寸的大小已经非常接近ccd的像元尺寸了，他们的分辨率满足以下几个要求：我们用拟合所测出的实际的运动轨迹，通过Zemax软件对各个倍率的数据采取了精准计算。从0.7×～4.5×放大倍率每增加0.1，就在数PMAG的约束进行控制，并且用前固定组、变倍组、补偿组、后固定组之间的空隙的不同。为了选择最佳数据多次并计算双组和补偿组的位置，得到相应的补偿组和变化组的数据。特定的数据，如表，其中变量和补偿组的位置相对于前一个固定组。我们通过这些数据可以应用MATLAB来求出补偿组的运动轨迹曲线如图。2.2.3图示3.显微镜光学系统测量3.1结构设计系统结构设计思路

根据激光的准直、单色、相干特性设计激光投影显微系统整体方案。如图所示，垂直向下的激光-1发出的激光经平面反射镜-5穿过液体采集系统-2下悬浮的液滴-4，因为水滴近似球形的，相当于一枚凸透镜，激光束穿过水滴之后，就会被水滴发散，在投影屏幕-3上成像1.向注射器中吸入水，用固定架将注射器固定;

2.压动注射器活塞使其出口悬浮一滴水，用激光器发出的光线穿过水珠；

?对焦图：由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为Γ=−QUOTE30x30x（3)求物镜和目镜的放大率目镜的放大率β==−3物镜的放大率β=QUOTE=−3(4)求数值孔径NA=nsinU=QUOTE=QUOTE≈0.102（5)求目镜的焦距QUOTE=QUOTE=25mm（6）2y==QUOTE123123=4mm（7）求物镜的焦距QUOTED瑙?D瑙?=2QUOTE=12mm3.光学部件的结构形式4．光学系统的拼接和优化（1）物镜设计及优化1在像方焦点处设置孔径光阑，并由NA=0.102限制。将物高为±2mm，取2条权重均为1的特殊光线，光路图如图所示。物镜共轭距为255mm左右，基本满足设计要求。

（备注：最后在合成时为了使系统成像更加清晰，优化后系统共轭距为243.05033mm，焦距为45.62139mm）2从物镜库中选符合3倍放大率，焦距是在47mm左右的镜头，在数据输入后我们可以得到如下的数据分析（备注：因为考虑设计的复杂，我们只能保证最大放大率）3.1图示3.1图示③设置默认类型，限制PMAG放大率为为-3，物镜部分性能函数，物镜成像较为会聚符合要求（图8

物镜标准点列图）3.1图示3.1图示（2）目镜设计①我们知道目镜成的像在接近无穷远的地方。便于分析成像质量，在目镜后添加一块合适透镜对目镜的像进行会聚，参数和光路图如图3.1图示