目 录
摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................... I 第一章 绪论 ................................................................................................................. II
1.1显微镜国内外发展情况 ................................................................................. 1 1.2 ZEMAX简介及原理 ...................................................................................... 1 第二章 物镜设计方案 ................................................................................................. 3
2.1 物镜的种类 .................................................................................................... 2 2.2高倍物镜的设计方案 ..................................................................................... 9 第三章 物镜设计参数及镜片选择 ........................................................................... 10
3.1物镜的数值孔径 ........................................................................................... 10 3.2物镜的鉴别率 ............................................................................................... 11 3.3物镜的有效放大倍数 ................................................................................... 11 3.4垂直鉴别率 ................................................................................................... 12 3.5显微镜的视场 ............................................................................................... 12 3.6 显微镜物镜设计中应校正的像差 .............................................................. 13 3.7实际参数确定 ............................................................................................... 13 第四章 40×显微镜物镜光学系统仿真过程 ......................................................... 121
4.1选择初始结构并设置参数 ......................................................................... 121 4.2自动优化 ..................................................................................................... 121 4.3 物镜的光线像差(RAY ABERRATION)分析 .................................................. 123 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 .................................................................... 18 4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 .............................................................. 123 4.6最终仿真参数分析 ....................................................................................... 24 第五章 心得体会 ....................................................................................................... 21 第六章 参考文献 ....................................................................................................... 21
摘要
物镜是显微镜的结构组成中最为重要的光学元器件之一,它的原理则是利用光的折射成像原理，使被检测得物体通过光迹被物镜折射成像再传入人眼中,所以如何衡量一台显微镜质量的好坏，物镜的各项光学技术参数就成为了最为直接和影响成像质量的最重要的标准。物镜筒内是由分开一段距离并被固定的，一组或多组胶合透镜组组装而成，目的是为了对像差和对像差公差的校正。物镜有许多具体的要求,比如透镜组的合轴或齐焦，因此物镜的结构极为复杂，需要具备精密的制作工艺。由于现代物镜的数值孔径（研究物镜的非常重要的一个参考数据）已经接近极限，物镜成像的视场中心的分辨率与研究的理论值几乎没有出入，也就意味着现代显微物镜已经达到了高度完善的地步，因此视场边缘的细致化与视场的增大化就成为我们现如今的研究工作。本次课设主要目的是设计出一个40×显微镜物镜光学系统。为了设计出相对完整的物镜光学系统，使得成像光斑（也就是误差）达到衍射极限，并能够完美的解决系统像差，主要的应用光学设计软件是ZEMAX，随后我们会详细介绍ZEMAX的发展历史和功能。设计显微物镜光学系统的过程就是个反复优化的过程，需要先经过计算机初步优化，系统分析，计算机调整参数，更改参数变量，再次进行优化，最终靠分析波前均方差和波像均方差等重要参数，评价模拟结果的点列图，设计出符合要求的显微物镜
关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统
Abstract
The most important objective is microscope optical components, use light was the first object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard.
The structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis.
Modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imaging edge view,
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this study is still possible, still in the works.
This class is mainly applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysis - fine-tuning parameters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric optics system, make whole disk image reached diffraction limit. The simulated results of analysis and evaluation, point a wave of variance, the mean square error, optical transmission function parameters, designed comply with the design requirements of the microscope objectives.
Keywords: microscope objectives, ZEMAX, Optimization, Optical systems.
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1绪论
光学作为物理学中的一个最为重要的分支，在我们的生产与生活中得到了相当广泛的应用。光学设计经过140年的发展，其本质并未改变。无论工具再先进，也只能使设计者在设计过程中获得更多方便而已。光学设计是选择和安排光学系统的材料、曲率和间隔，使得系统的成像性能符合应用要求。Philippvon Seidel(1821-1896)对像差理论的统一，可以作为光学设计这门学科初步成型的标志。光学设计作为光学仪器的基础，除了调整结构以满足光束传输要求，还需要对其中存在的问题进行分析。在近60年的研究与发展过程中，光学经历了由人工计算设计到计算机软件自动模拟仿真设计的过程，实现了由人工计算像差、修改参数，到使用电脑与软件计算参数的技术飞跃，使设计者能更快速、更高效的设计出优质且经济的光学系统设计。在本次设计中，采用了ZEMAX软件进行高倍显微物镜的设计和研究，最终给出符合设计与研究要求的设计结果。
1.1国内外发展情况
在我国，制造显微镜要追溯到抗战时期了，距今也有近80年的历史。现在，国内显微镜的产出总额大约2.5亿美元左右，在世界显微镜市场中，我国在中、低端显微镜领域占有相当的比重。显微镜的制造与研发是专业性很强的，其主要核心部件就是物镜。目前，在国内的光学显微镜物镜市场中，大型的高档的显微镜市场都被德国的公司Leica占有，其余主要是由国内的光学仪器生产厂家所控制。
1.2物镜光学设计的基础数据类型及研究方向
我们为了设计我们要研究的光学系统的原理图，就必须要先确定物镜的基本光学特性，使其满足原理图中给点的要求。而首要的目标就是要先确定物镜的放大倍率、线视场，光阑位置；随后再通过公式计算数值孔径、共轭距、后工作距等参数；最终确定外形尺寸。显微物镜的光学设计，其实就是对物镜进行一个消像差的过程。像差的种类有以下几种，五种单色光像差有：球差、彗差、像散、场曲和畸变；两种复色像差：轴向复色差和垂轴复色差。
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2 ZEMAX简介及原理
ZEMAX是应用最为广泛的一款全能性的镜片设计与仿真软件。这款软件集成了包含光学系统的建模、光线的追迹计算、像差的分析、优化、公差分析等许多功能，并且通过其直观的用户使用界面，为设计人员提供了一款极为方便快捷的学习与应用工具。许多年来，ZEMAX的工作人员每年都致力于对软件进行革新和改进，并赋予ZEMAX更为强大的功能和更为简单的操作流程，因而被广泛应用在物镜的设计、光纤传播、激光照明和其他光学科技技术领域中。
ZEMAX通过序列和反序列着两种追迹模式来模拟光的折射、反射和衍射。
序列追迹模式主要是用于传统的光学成像系统的设计和研发，如我们熟知的照相机的照相系统、望远镜的望远系统、显微镜的显微系统等等。在该模式中，ZEMAX是以面为模拟光学系统的原型与基础，每一层表面的位置都靠该表面以参考前一个面坐标为对象来确定的。光线从设计的物平面开始，按照表面的前后顺序进行追迹，而且追迹速度很惊人。许多复杂的系统则需采用第二种模式----非序列模式来进行光线的追迹与光学系统的建模，如照明系统、棱镜系统、导光管、微反射镜和非成像系统或复杂形状的物体等。在该模式中，ZEMAX以物体作为研究目标，将光线按照系统给定的物理规则入射到模型中，并且程序沿着程序给定的光路的进行追迹模拟。非序列模式可按任意方向和角度将光入射到任意一组模拟的物体上，当然也可以以同一角度多次入射到相同的物体上，直到入射光线被模拟的物体彻底阻拦无法穿透为止。非序列模式与序列模式相比有优点也有缺点，非序列模式的光线追迹能够对光线的传播和模拟进行更为细节的分析和研究，相比之下序列模式的光线追迹则相对较弱；但此模式也有一个相对难以逾越的瓶颈，也就是由于非序列模式要分析的光线很多，计算路径较长，计算频率较大，所以计算速度较慢。在科学的模拟和研究中总是相互协作相互利用的，在设计一些较为复杂的光学系统中，可并用序列模式以及非序列模式的光线追迹。并且根据需要，ZEMAX也可以将任意方向、位置或形状的非序列组件和序列光学组件进行结合以达成某些难度较大的光学表面的研究工作，共同形成一个光学系统结构。
2.1 用ZEMAX软件设计系统的基本过程
用ZEMAX软件进行物镜（或系统）设计的流程如图2.1所示。
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