中倍平场显微物镜设计

中倍平场显微物镜设计

?（???25?，NA?0.4，L?195mm，lF?1mm）

一、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！ 推导：若正追光线，则???2?dl???1?dl???dl，改变系统间隔及透镜厚度不易控制像面dl位臵，对共轭距的控制不利，因此设计时需采用倒追光线的方法！

二、参数设定

数值孔径输入：NA?nsinu?u?u???u???0.4?0.016 25波段输入：D、F、C光，即普通白光入射

视场输入：物在有限距离，输入线视场（单位：mm），物像颠倒，故y?y???12.5mm

三、设计理念

系统总偏角为0.416，消色差双胶合物镜负担偏角最大0.15，单透镜负担偏角最大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，负透镜臵后。

四、设计过程（优化）

经PW法计算推导，得到最终镜头数据如表1所示：

表1 初始数据

Surface Object 1 2 3 4 Stop 6 7 8 9 10 11 12 Image r/mm ? -6.823 -11.015 25.29 -17.022 ? 11.722 -6.546 -22.91 3.597 2.63 ? d/mm 165.358 0.95 2.7 1.96 7.5 7.4 2.38 1.19 0.32 4.08 1 0.17 0.276789 M 材料 ZF7 ZK3 ZK9 ZF7 ZBaF3 K9 ? 选择3个线视场：0、8.84mm、12.5mm 物方数值孔径（Object Space NA）：0.016

物距：165.358mm 注意：

A．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； B．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； C．键盘上的“Insert”键是在“Lens data editor”中插入面，“Delete”为删除面，修改数据时，按“Backspace”退格键，不要按“Delete”删除；

D．在输入玻璃牌号的时候，注意区分ZF和ZK，经常有同学因搞混而导致数据错误； E．在进行系统优化时，不要选择改变盖玻片半径、厚度、后工作距和光阑半径作为变量！ （1）将表1输入至ZEMAX中，得到点列图和MTF曲线如图2和图3所示：

（本教程使用ZEMAX 2008版）

图2 初始数据的点列图

图3 初始数据的MTF数据

（2）设定默认优化函数

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。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6.9（选择第2波长）。（见附件-初始结构） （3）优化过程

查看工具栏Analysis→ Aberration Coefficients→ Seidel Diagram（或Seidel Coeffients），比较直观地观察系统各表面对各种像差的影响，鉴于显微物镜主要校正轴上点球差、色差和正弦差，因此可以选择红颜色的Spherical Aberration 作为主要观测对象。经观察发现，第1、3、4、7、8这几个表面对球差影响较大，因此可以尝试这几个半径组合作为变量，每次优化在之前基础上增加两三个半径作为变量，不要一次增加太多变量，否则效果不一定好。Ctrl+Z是设定变量的快捷方式。

在优化效果不好时，不要盲目继续甚至保存，而要按F3键返回，否则有可能因错误选择优化方向而钻入“死胡同”！最好的方法是，每次有效的优化都另存为一个文件，文件名可按照自己的习惯选择具有“标志性”的名称，这样方便以后回顾自己的设计过程或调用相关优化记录。

A）通过查看Seidel Diagram，首次选择r3，r4，r7半径作为变量，点击“OPT”进行自动优化（结果见附件-1优化半径347），点列图减小，MTF曲线变化不大，注意Merit Function理想值应为0； B）继续选择变量r1，r8，r10半径作为变量，自动优化（结果见附件-2优化半径1810）；此时，像距已变为0.05mm左右；

C）为防止像距过大波动，将其固定为0.1mm，取消像距位臵的“Marginal Ray Height”选项，继续优化（结果见附件-3固定像距）；

D）继续选择变量r2，r6半径作为变量，自动优化（结果见附件-4优化半径26）； E）继续选择变量r9半径作为变量，自动优化（结果见附件-5优化半径9）；

F）至此，所有能选做变量的半径都已选择，下一步即化透镜间隔或空气厚度d，首选光阑前后半径d4，d5作为变量，同时在“Merit Function Editor”中输入“TOTR”操作数，目标值为29.642（195mm-165.358mm=29.642mm），以确保在优化过程中的物像共轭距，权重“weight”设定位1，然后进行OPT自动优化（结果见附件-6优化光阑位臵45）； G）尝试其它距离或厚度作为变量，选择第一、二透镜间距，即d2作为变量，在“OPT”中选中“Auto Update”复选框，然后进行自动优化，实时观察MTF曲线的变化及透镜外形的合理性，在合适的位臵选择“Terminate”终止优化过程（结果见附件-7优化第1、2透镜间距d2），数据见表2；

表2 自动优化终止时的透镜数据

H）选择第1个透镜厚度d1作为变量进行自动优化，（结果见附件-8优化第1透镜厚度d1），此时观察MTF曲线，如图4所示：

图4 MTF曲线

镜头的外形结构图如图5所示：

图5 镜头的外形结构图

此时，像质虽已足够好，但要注意到，实际系统的垂轴放大倍率并没有达到25倍，或者说在设计显微物镜之初，系统要求的物方数值孔径并没有达到0.4，详见表3。

表3 点击快捷方式Pre显示出的系统相关参数

由表看出，Image Space NA只有0.366996（由于是倒追光线，所以我们此时观察的是像方数值孔径）。

怎样增加物方数值孔径呢？适当减小焦距，再进行系统优化，直到像质满足要求为止！因为减小焦距，可适当增强系统对于光线的偏折能力，从而提高“像方”数值孔径，增大放大倍率。 I）将优化函数中的EFFL有效焦距操作数由6.9更改至6.1（可试验进行），除去厚度变量保留半径变量后，选择自动优化（结果见附件-9将系统焦距设为6.1后优化），像质变糟，见图6。

图6 更改焦距后优化半径结果

J）为便于控制厚度不为负值，可以重新选择“Default Merit Function”，选中“Glass”和“Air”，将其最小值设为0.1，最大值可默认不变，输入“Start at 4”，表示在优化函数的第四行开始优化，确定后开始自动优化（结果见附件-10重新设定优化函数后优化），传递函数曲线及外形结构图见图7和图8：

图7 MTF曲线改善 图8 外形结构图合理

K）经分析和试验，选择厚度1,2,4作为变量，自动优化（结果见附件-11设定厚度124为变量优化） L）将厚透镜厚度d9作为变量，自动优化（结果见附件- 12设定厚度9为变量优化）

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库中倍平场显微物镜设计在线全文阅读。