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zemax安排显微镜课件

日期:2019-11-03 09:54 来源: 胶合镜

  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,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,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,S′3)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。θ0称为极 限分辨角。不言而喻,当θ>θ0时是完全可 分辨的,θ<θ0时是不可分辨的。 ? 由圆孔衍射理论得到:θ0=1.22λ / D ? 式中λ──入射光波长; ? D──入射光的最大允许孔径(透镜直 径)。 ? 因为θ0很小,所以由图2-4得: ? d′≈θ0=1.22λS / D ? 物镜在设计时,总是使它满足阿贝正弦条件 的,即 ? ndsinu=n′d′sinu′ ? 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。 ? 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=0.5λ/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(λ ≈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 0.15~0.30,因此,需将物镜鉴别的距离d 经显微镜放大后成0.15~0.30mm方能被人 眼分辨。若以M表示物镜的放大倍数,则 ? d.m=0.15~0.30 ? 。 ? M=0.15~0.30/d=(0.15~0.30)(N.A.)/0.5λ=0. 3~0.6N.A./λ ? 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=0.3~0.6N.A./λ ? 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0.15~0.30mm,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 ×(0.15~0.30)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ZF3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线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RMS~Wavefront~Centroid; ? 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。 自动优化后各参数仿线 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εY。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εX,有时也叫做弧矢的,或 XZ面的。从此光学特性曲线可以看出,光 线特性曲线度时通过 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 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,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 4.6 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,仿线倍十分接近。 ? 最终的仿真参数基本符合设计的要求。 5心得体会 ? 。

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