zemax设计显微镜

• 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。
• 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
• 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。
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式中λ──入射光波长；
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D──入射光的最大允许孔径（透镜直
径）。
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因为θ0很小，所以由图2-4得：
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d′≈θ0=1.22λS / D
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物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件
的，即
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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。
• 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。
• 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
• 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.
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• 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
• （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。
• 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；
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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
• 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。
• 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。
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
• 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。
• （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。