zemax设计显微镜课件

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1、25显微镜物镜设计 技术要求： （1）学习zemax软件。 （2）设计一个25显微镜物镜，要求所设 计的系统成像清晰，显微物镜放大倍率为 25，物方数值孔径NA=0.4，物高为1mm 左右。 （3）对所设计的显微镜光学系统进行 zemax软件仿真工作。 物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使 被检物体第一次成象,因而直接关系和影响成 象的质量和各项光学技术参数,是衡量一台显 微镜质量的首要标准。 物镜的结构复杂,制作精密,由于对象差的校 正,金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固 定的透镜组组合而成.物镜有许多具体的要 求,如合轴,齐焦. 现代显微物镜已达到高度完善,其数值孔径 已接近极限,视场

2、中心的分辨率与理论值之 区别已微乎其微.但继续增大显微物镜视场 与提高视场边缘成象质量的可能性仍然存 在,这种研究工作,至今仍在进行 本次课设主要是应用ZEMAX光学设计软件，设计 出25显微镜物镜光学系统。经过计算机优化 系统分析微调参数改变参数变量再次进行 优化反复过程之后，设计出了能够很好的消除系 统像差的物镜和整个光学系统，使得成像光斑达 到了衍射极限。分析和评价模拟结果的点列图、 波像均方差、波前均方差、光学传递函数等参数 ，设计出符合设计要求的显微物镜。 关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统2物镜设计方案 25显微镜物镜属于中倍显微物镜，通常由 两个分离的双胶组合透镜组成，

3、这类物镜 也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6至 30之间，数值孔径NA为0.2至0.6之间。 由于显微物镜倍率较高，像距远大于物距 ，显微物镜的设计通常采用逆光路方式， 即把像方的量当做物方的量来处理。 里斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的 原则通常是使每个双胶合透镜产生的偏角 相等或者是后组的偏角略大于前组。里斯 特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜 上。 当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时 ，两个双胶合透镜的间隔大致和物镜的总 焦距相等。第一个双胶合的焦距约为物镜 焦距的二倍。第二个双胶合的焦距大致和 物镜的总焦距相等。 物镜的像差校正方式采取两个双胶合透镜 各自单独校正球差、慧差和色差

4、，这种方 案的优点是：二个双胶合透镜组合在一起 则为一个中倍物镜，移去一个双胶合透镜 后可用作低倍显微物镜使用。25显微镜物镜设计方案图3物镜设计参数及镜片选择 3.1物镜的数值孔径 物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是 物镜的重要性质之一，增强物镜的聚光能 力可提高物镜的鉴别率。 数值孔径通常以符号“N.A.”表示（即 Numerical Aperture）。根据理论的推导得 出： N.A.=n.sinu 式中 n物镜与观察之间介质的折射率 ； u物镜的孔径半角 因此，有两个提高数值孔径的途径： （a）增大透镜的直径或减少物镜的焦距， 以增大孔径半角u。此法因导致象差增大及 制造困难，实际上

5、sinu的最大值只能达到 0.95 （b）增加物镜与观察之间的折射率n。是 介质对物镜数值孔径影响示意图。当光线 沿光轴方向射向观察物时，自物体S处发出 的反射光除沿SO方向反射外，尚有（ S1 S1）（S2，S2）等衍射光。 （a）是以空气为介质（又称干系物镜）的 情况，只有（S1 S1）内的衍射光可以通过 物镜，（S1 S1）以外的衍射光如（S2， S2）均不能通过物镜。 （b）是物镜与观察之间以松柏油或其它油 为介质（又称油浸物镜）时，由于折射率n 增加，使衍射光的角度变狭，致使（S2， S2）甚至（S3，S3）内的衍射光均可通 过物镜。因而使物镜通过尽可能多的衍射 光束，利于鉴别组织细

6、节。3.2物镜的鉴别率 物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清 晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分 辨的最小距离d的倒数表示。d愈小，表示 物镜的鉴别率愈高。 要明白鉴别率可以有一定的限度，这就要 用光通过透镜后产生衍射现象来解释。 物体通过光学仪器成象时，每一物点对应 有一象点，但由于光的衍射，物点的象不 再是一个几何点，而是有一定大小的衍射 亮斑。靠近的两个物点所成的象一两个亮 斑如果互相重叠，则导致这两个物点分辨 不清，从而限制了光学系统的分辨本领一 分辨率。显然，象面上衍射图象中央亮斑 半径愈大，系统的分辨本领愈小。 瑞利（Rayleigh）提出一个推测（又称瑞利 准则）：认为当A1衍

7、射花样的第一极小值 正好落在A2衍射花样的极大值时，A1、A2 是可以分辨的，将此时定出的两物点距离 A1、A2作为光学统的分辨极限。0称为极 限分辨角。不言而喻，当0时是完全可 分辨的，0时是不可分辨的。 由圆孔衍射理论得到：0=1.22 / D 式中入射光波长； D入射光的最大允许孔径（透镜直径 ）。 因为0很小，所以由图2-4得： d0=1.22S / D 物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件 的，即 ndsinu=ndsinu 式中n和n为物、象所在空间的折射率，成 象总是在空气介质中，故n=1；u和u分别 为光线在物、象空间共轭点上的孔径角；d 和d分别为物点、象点中心斑的间距。

8、考虑到显微镜中入射光并非都是平行光， 有倾斜光线，对上式系数作适当的修正， 所以式中nsinu就是物镜的数值孔径，因此 ，上式或者写：d=0.5/N.A 因此表明：物镜的数值孔径愈大，入射光 的波长愈短，则物镜的分辨能力愈高。在 可见光中，观察时常用黄绿光（ 440nm ），则可使分辨能力提高25%左右。3.3物镜的有效放大倍数 在保证物镜的鉴别率充分利用时所对应的 物镜的放大倍数，称为物镜的有效放大倍 数。有效放大倍数可由以下关系推出：人 眼在明视距离（250mm)处的分辨能力为 0.150.30，因此，需将物镜鉴别的距离d 经显微镜放大后成0.150.30mm方能被人 眼分辨。若以M表示物

9、镜的放大倍数，则 d.m=0.150.30 。 M=0.150.30/d=(0.150.30)(N.A.)/0.5=0. 30.6N.A./ 此时的放大倍数即为物镜的有效放大倍数 ，通常以M有效表示。因此 M有效=0.30.6N.A./ 由此可知：物镜的有效放大倍数由物镜的 数值孔径及入射光波长决定3.4垂直鉴别率 垂直鉴别率又称景深，定义为在固定像点的情况 下，成象面沿轴向移动仍能保持图象清晰的范围 。表征物镜对应位于不同平面上目的物细节能否 清晰成象的一个性质，垂直鉴别率的大小由满意 成象的平面的两个极限位置（位于聚焦平面之前 和之后）间的距离来量度。 如果人眼分辨能力为0.150.30m

10、m，n为目的物 所在介质的折射率，（N.A.)为物镜的数值孔径， M为显微镜的放大倍数，则垂直鉴别率h可由下式 求出： h=n / (N.A.).M （0.150.30）mm 由上式可知：如果要求较大的垂直鉴别率 ，最好选用数值孔径小的物镜，或减少孔 径光阑以缩小物镜的工作孔径，这样就不 可避免降低了显微镜的分辨能力。这两个 矛盾因素，只能被具体情况决定取舍 3.5实际参数确定 按照设计要求：物镜放大倍数为25，数值孔径 NA=0.4，通过以上几个参数的计算，计算出理论 上的数值并确定符合数值要求的镜片。初步确定 第一个双胶合透镜的初始结构由ZF3与K9组合， 第二个双胶合透镜的初始结构由ZF

11、3与ZK9组合。 求出双胶合透镜的初始结构之后，就可以进行光 线追迹、像差计算和平衡了，如果得到不满意的 结果，可重新选择玻璃对，再重复上面的计算， 达到设计要求，也可以采用自动设计程序作进一 步校正，其结果可能会更好。4 25显微镜物镜光学系统仿真过 程 4.1选择初始结构并设置参数 显微镜物镜的初始结构选择如下： 在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒 置设计。设置参数如下：垂直放大率为 0.04，物方数值孔径为0.016，物高为 25mm，物方半视场高度为12.5mm。此时 该系统的结构、传函以及像差如图4-1所示 。从MTF图和像差图可以看出该显微物镜 的成像质量还不是很好，需要对其

12、进行自 动优化校正。 4.2自动优化 首先，建立自动优化函数。具体过程如下：选择 Editors Merit Function，弹出 Merit Function Editor 对话框，在Type栏中输入EFFL，并将 Target定为6.930840， Weight值取1.0； 其次， 选择Merit Function Editor对话框工具栏中的 ToolsDefault Merit Function, 设置Optimization and Reference为RMSWavefrontCentroid； 最后，选择“opt“按钮进行自动优化。 自动优化后 ，显微镜物镜结构的数据如下： 经过

13、自动优化后的显微物镜的结构、传函 以及像差如图4-2所示。此时，像方数值孔 径NA=0.37333,传递函数接近于衍射极限， 成像质量较好，基本上达到设计的要求。 初始结构各参数仿真图 自动优化后各参数仿真图4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 通过光线特性曲线来分析光线像差，以显 示关于入瞳坐标函数的光线像差。本次设 计的物镜系统的光线特性曲线如图4-3所示 。 图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的 光线像差（指的是以主光线为基准）。左 边的图形中以“EY”代替Y。这是Y方向的像 差，有时也叫做子午的，或YZ面的。右图 以“EX”代替X，有时也叫做弧矢的，或XZ 面的。

14、从此光学特性曲线可以看出，光线 特性曲线在Y方向视场角度为0度时通过原 点的倾斜不大，表示离焦现象不明显，基 本符合设计要求。物镜的光线特性曲线图 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 在接近衍射极限的光学系统中，波像均方 差是像质的敏感函数，要求显微物镜聚焦 精确、像质好、必须对球差、慧差和像散 进行校正，从而使得波像均方差在一定的 允许范围内，一般要求物镜的波像均方差 在0.05以下。图4-4所示为显微物镜的波像 均方差数值图。 显微物镜的OPD图4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线 性空间不变系统，因而可以用线性系统理论来研 究它的性能，

15、把输入信息分解成各种空间频率分 量，研究系统的空间频率传递特性即光学传递函 数，它能全面反映光学系统的成像性质。 FFTMTF是用快速傅立叶变化 算法计算的MTF，是一种物理传递函数，即考虑 光学系统的衍射效应，一般的成像光学系统都可 用它来评价。此时的传递函数接近于衍射极限， 成像质量好。图4-5为显微物镜的光学传递函数图 。显微物镜的MTF图 4. 最终仿真参数分析原始物高设定如下：最终仿真参数如下： 由图可看出： (1)物方数值孔径NA=0.37333，与要求的 0.4很接近； (2)初始设定的物高为12.5,仿真所得像高为 0.497，则放大倍数m=1.25/0.497=25.1,与 要求的放大倍数25倍十分接近。 最终的仿真参数基本符合设计的要求。5心得体会 。