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1、1,Designing of microscope,主讲人：徐春云,2,目录,1.ZEMAX用户界面简要说明 2.25显微物镜的设计要求及初始结构 3.显微物镜的手动校正 4.显微物镜的自动优化 5.ZEMAX中像差曲线分析 6.显微物镜的像质评价,3,4,5,6,7,视场设定,根据系统要求设定角视场或线视场,8,波长设定,设计波长 波长权重 默认为1.0 主波长可设定其他权重,9,设计要求,放大倍率 =-25 数值孔径 NA=0.4 共轭距 L=195mm 物方线视场 y=1 物距 165.358mm 工作距离大于1mm,10,设计原则,为有效控制物像共轭距离，显微镜物镜需倒追光线。 若正追
2、光线，改变系统间隔及透镜厚度不易控制像面位置，对共轭距的控制不利，因此设计时需采用倒追光线的方法。,11,参数设定,数值孔径输入： NA=0.4 =-25, 对应的像方数值孔径NA=0.016 如果物距默认为无穷的话，此时输入数值孔径，系统将提示错误信息，因此需首先给定物距,12,视场输入： 物在有限距离，输入线视场（mm），物像 颠倒，故y=y=12.5,13,波段输入： D、F、C光，即普通白光入射,14,设计理念,系统总偏角为0.416，消色差双胶合物镜负担最大偏角为0.15，单透镜负担最大偏角为0.2，因此系统中采用2个双胶合和1个单透镜。为校正场曲并负担一定的正偏角，单透镜采用一定正
3、光焦度的弯月形厚透镜。同时，为适当增大后工作距，将双胶合分为正负透镜形式，负透镜置后。,15,二维结构图,16,初始数据,17,MTF曲线,18,点列图,19,显微物镜的手动校正,看Analysis： aberration coefficients seidel coefficients aberration coefficients seidel diagram,20,从seidel diagram中可以直观的看到系统各像差情况 找出对赛得和数影响大的面，首先调整这些面的曲率半径，再改变其他半径，最后改变空气间隔及玻璃厚度。 一点点做微调整，在调整过程中看MTF曲线及点列图的变化趋势。,21
4、,显微物镜优化注意事项,1.输入距离不能为负值，优化过程中也应注意此项。负值的d只能出现在反射式系统中 2.在进行系统优化时，不要选择盖玻片半径、厚度、后工作距离和光阑半径作为变量,22,显微物镜的自动校正,光学设计时的优化顺序 1.找出对赛得和数影响大的面，并将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。 2.将剩余面的曲率半径设为变量进行优化。 3.将STOP光阑面的位置设为变量进行优化 4.将透镜间距设为变量进行优化。 5.将玻璃厚度设为变量进行优化。,23,经过以上5步优化后，如果像质还达不到要求： 1.尝试将特殊位置的薄透镜换成弯月透镜，鼓形透镜等厚透镜。 2.换玻璃。如果单透镜的弯曲过于强
5、烈，则换成折射率高的玻璃。如果胶合透镜胶合面的弯曲过大，则增加两个玻璃的阿贝数之差。 （设计双胶合透镜时，透镜要有相近的热膨胀系数。） 3.将系统复杂化。分裂玻璃，或者在特殊位置加入场镜。,24,光学设计优化小技巧,1.光学系统某个视场MTFT，MTFS不好，则在Field中增大这个视场的权重。 2.光学系统某个视场的MTFT，MTFS不好，则在优化函数中用MTFT，MTFS进行优化。 3. 光学系统某个视场的MTFT，MTFS不好，则在系统中针对这个视场设定渐晕。 4.增大视场或者增大口径时，要一点一点地增大。,25,5.减掉某个透镜时，要一点一点地减小透镜的厚度 6.增加透镜厚度时，要一点
6、一点地增加。 7.优化畸变时，要一点一点地改变畸变的大小。 8.有时系统优化到局部最小值，稍微改变一点厚度或者间距，使其能够跳出局部最小值，继续优化。,26,选择工具栏Editors Merit Function Tools Default Merit Function ，在该选项框中选择RMS，Spot Radius，Centroid，其它项默认即可，选择OK。,显微物镜优化设置,27,为避免焦距变化过大，将其确定为初始值，即设定有效焦距EFFL为6.93（选择第2波长）,28,球差，位置色差，二级光谱： Analysis miscellaneous longitudinal aberrat
7、ion 横坐标是球差 纵坐标是孔径,像差曲线分析,29,象散，场曲: Analysis miscellaneous field curv/distortion （Fcd） 不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，横坐标是场曲,轴外细光束像差曲线,30,畸变: Analysis miscellaneous field curv/distortion 纵坐标为视场 横坐标是畸变的百分比值。,31,还可以通过 Analysis miscellaneous Grid Distortion 从图形中可以直接观看出畸变类型（枕型/桶形）,32,A
8、nalysis Fans Ray Aberration（Ray） 横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差 每组曲线中左图为子午光束垂轴像差 ，右图为弧矢光束垂轴像差。 图中曲线的形状由轴外像差如场曲、轴外球差、彗差决定，曲线形状与像差数量的对应关系经常在校正像差过程中使用，因此又称为像差特征曲线，它全面地反映了系统的像差情况。,子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线,33,垂轴色差（倍率色差）,Analysis miscellaneous Lateral Color 横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。 图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑 范围，从图中可以看出系统的垂轴色差小于
9、艾里斑范围，垂轴色差得到很好的校正。,34,焦点色位移 Analysis miscellaneous Chromatic Focal Shift 图曲线表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。,35,光程差 Analysis Fans Optical Path（Opd） 横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差 图中数据表明纵坐标（光程差）的最大值，0.5个波长,36,波像差 Analysis Wavefront Wavefront map 如果光学系统的波像差小于瑞利准则1/4波长，则光学系统满足像
10、质要求，而瑞利准则没有考虑缺陷的面积，仅适用于小像差系统 PEAK TO VALLEY,37,Zemax中常用的优化操作数,EFFL 透镜单元的有效焦距 TOTR 透镜单元的总长 SPHA 在规定面出的波球差分布 COMA 透过面彗差 ASTI 透过面像散 FCUR透过面场曲 DIST透过面波畸变 注意：限制越少越好,38,显微物镜的像质评价,1.显微物镜分辨率 从等式中可以看出，增加数值孔径NA或减小波长可以提高显微物镜的分辨率 2.计算MTF特征频率 MTF特征频率为,39,人眼对比度阈为0.020.03，各视场MTF值在特征频率处均大于0.03即可,40,点击快捷方式Pre 显示系统相关参数,41,谢谢！,
