zemax设计显微镜课件

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 Tools>>Default 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：
物镜的光线特性曲线图
4.4 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。
• 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真图
4.3 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特性曲线如图4-3所示。
• 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。
5心得体会
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4
25×显微镜物镜光学系统仿真过 程 4.1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。
• 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。
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。
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。
• 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。
• 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
• 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′
• 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 线特性曲线在Y方向视场角度为0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。
• 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.Baidu Nhomakorabea.).M ×（0.15～0.30）mm
• 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
• 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
• （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。
• 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
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,仿真所得像高为 0.497，则放大倍数m=1.25/0.497=25.1,与 要求的放大倍数25倍十分接近。 • 最终的仿真参数基本符合设计的要求。
• 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。
• （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。
• 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 • 。
• 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