40倍显微物镜光学系统的设计

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

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 2

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 16

4.1选择初始结构并设置参数 16

4.2自动优化 16

4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 18

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 19

4.6最终仿真参数分析 20

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, 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.

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