25×显微镜物镜设计
25×显微镜物镜设计(终)
25×显微镜物镜设计设计要求：1. 显微物镜放大倍率为25×；2. 物方数值孔径NA=0.4；3. 物高为1mm；4. 物方工作距不能太小。
设计过程：第一步：选择初始结构，根据题目要求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，需要对其进行校正。
第二步：手动校正使用ZEMAX软件进行手动校正，手动校正主要是通过改变曲率半径使成像质量逐渐得到优化。
手动校正后，显微镜物镜结构的数据如下：手动校正后该系统的结构、传函以及像差如图2所示。
第三步：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：图1 显微物镜初始结构系统报告图图2 显微物镜手校后系统报告图图3 显微物镜自动优化后系统报告图经过自动优化后的显微物镜的结构、传函以及像差如图3所示。
此时，像方数值孔径NA=0.3731118,传递函数接近于衍射极限，成像质量较好，设计完成。
图6 显微物镜自动优化后波相差图。
光学设计显微镜物镜设计
光学设计显微镜物镜设计光学设计是指利用光学原理和光学材料，设计出满足特定需求的光学系统。
而显微镜物镜作为显微镜的核心部件，是用于放大微小物体的光学组件。
通过对物镜的设计，可以实现对微观世界的观察和研究。
接下来，将详细介绍显微镜物镜的设计过程。
首先，在显微镜物镜设计的初期，需要明确设计的需求和目标。
这包括对物镜的放大倍数、视场、分辨率和透光率等指标的要求。
根据这些要求，可以开始进行物镜的设计。
物镜的设计通常包括两个步骤，分别是初选和优化。
在初选阶段，需要选择合适的透镜片数量、厚度、曲率和材料等。
这里需要考虑的因素包括成像质量、透光率和制造成本等。
通过初选，可以得到一个初始的物镜设计方案。
在优化阶段，需要使用光学设计软件进行模拟和分析。
可以通过改变透镜片参数和位置，优化物镜的性能。
在这个过程中，通常会使用像差理论进行分析，以提高成像的质量并降低各种像差的影响。
常见的像差包括球差、像散、畸变、像场曲率和像散等。
球差是由于透镜片曲率不同导致的成像模糊；像散是由于透镜片折射率不同导致的彩色像差；畸变是由于透镜片厚度不同导致的形变；像场曲率是由于透镜片间距不同导致的焦距变化；像散是由于透镜片曲率不同导致的图像模糊等。
通过优化设计，可以降低这些像差的影响，提高物镜的成像质量。
在优化设计中，还需要考虑透光率的问题。
透光率是透过透镜片的光线的比例，透光率越高，则损耗的光线越少，成像质量越好。
透光率的提高需要选择透光率高的光学材料，并且优化透镜片的形状和厚度等参数。
在物镜设计完成后，需要进行实验验证。
通过制造和测试样品物镜，可以验证设计方案的可行性和性能。
实验中，需要使用光学设备来测试物镜的成像质量、透光率和像差等指标。
根据实验结果，可以对设计方案进行进一步的优化和改进。
总结而言，显微镜物镜设计是一个复杂的过程，需要充分考虑成像质量、透光率和制造成本等多个因素。
通过合理的优化和设计，可以获得满足要求的物镜，实现对微观世界的观察和研究。
光学设计显微镜物镜设计
第十六章 显微镜物镜设计显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器,它由物镜和目镜组合而成;显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上,然后通过目镜成像在无限远,供人眼观察;在一架显微镜上,通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用;为了保证物镜的互换性,要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离物平面到像平面的距离相等;各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为mm 190左右,我国规定为mm 195;如图16－1所示;可见,显微镜物镜的倍率越高,焦距越短;还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜,被观察物体通过物镜以后,成像在无限远,在物镜的后面,另有一个固定不变的筒镜透镜,再把像成在目镜的焦面上,如图16－2所示;筒镜透镜的焦距,我国规定为mm 250;物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：物f 250-=β 整个显微镜的性能,也就是它的视放大率和衍射分辨率,主要是由显微镜物镜决定;图16－1 显微镜系统图16－2 无限筒长显微镜系统§1 显微镜物镜的光学特性一 显微镜物镜的倍率显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率β;由于显微镜是实物成实像,因此β为负值,但一般用β的绝对值代表物镜的倍率;在共轭距L 一定的条件下,β与物镜的焦距存在以下关系：L f ⋅--=2)1(ββ物 对于无限筒长的显微镜的物镜,其焦距与倍率之间的关系为：β250-=物f式中,β为负值;无论是有限筒长,还是无限筒长的显微镜的物镜,倍率β的绝对值越大,焦距物f 越短;所以,实际上,物镜的倍率决定了物镜的焦距;因此,显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多;焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点;二 显微镜物镜的数值孔径数值孔径U n NA sin ⋅=,是显微镜物镜最主要的光学特性,它决定了物镜的衍射分辨率δ,根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式：NAλδ61.0= 公式中,δ代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；λ为光的波长,对目视光学仪器来说,取平均波长nm mm 5000005.0==λ；NA 为物镜的数值孔径;因此要提高显微镜物镜的分辨率,必须增大数值孔径NA ;显微镜物镜的倍率β、数值孔径NA 、显微镜目镜的焦距目f 与系统出射光瞳直径/D 之间满足以下关系：目目＝Γ⋅⋅=250/ββNA f NAD 式中,目Γ为目镜的视放大率;为了保证人眼观察的主观亮度,出射光瞳直径最好不小于mm 1;在一定的数值孔径下,如果目镜的倍率目Γ越小,就要求物镜有更高的倍率β,但是物镜的倍率越高,工作距离越短,这给显微镜的使用造成不方便,因此一般希望尽量提高目镜的倍率,但目镜由于受到出射光瞳距离的限制,焦距不能太小,通常目镜的最高倍率为⨯15,因此物镜倍率越高,要求物镜的数值孔径越大;数值孔径NA 与相对孔径之间近似符合以下关系：NA fD ⋅=2/ 一个25.0=NA 的显微镜物镜21/≈f D ,高倍率的显微镜物镜不包括浸液物镜,其数值孔径最大可能达到95.0,其相对孔径可以达到2;相对孔径大,是显微镜物镜的一个特点;三 显微镜的视场显微镜的视场是由目镜的视场决定的,一般显微镜的线视场/2y 不大于mm 20;对无限筒长的显微镜来说,筒镜的物方视场角为： 0/3.204.025010＝，＝＝筒ωωf y tg = 筒镜的物方视场角就是物镜的像方视场角,因此物镜的视场角ω2一般不大于05;视场小,也是显微镜物镜的一个特点;四 显微镜物镜设计中应校正的像差根据显微镜物镜的光学特性,它的视场小,而且焦距短,因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差,即球差、正弦差、轴向色差;对于较高倍率的显微镜物镜,由于数值孔径加大、相对孔径比望远镜物镜大得多,因此还要校正孔径的高级像差,如高级球差、高级正弦差、色球差;对于轴外像差,如像散、倍率色差,由于视场比较小,而且一般允许视场边缘的像质下降,因此在设计中,只有在优先保证前三种像差校正的前提下,在可能的条件下加以考虑;对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜,如用于显微摄影的物镜,要求整个视场成像质量都比较清晰,除了校正球差、正弦差、轴向色差外,还要求校正场曲、像散、垂轴色差,这种物镜就是平像场物镜;由于显微镜属于目视光学仪器,因此它同样对F 光和C 光消色差,对D 光校正单色像差;§2 显微镜物镜的类型根据校正情况不同,显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等;一 消色差物镜这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜;在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差,而不校正二级光谱色差,所以称为消色差物镜;这类物镜,根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍、浸液物镜;1 低倍消色差物镜这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小,视场较小的情况;一般倍率大约为⨯⨯4~3,数值孔径在1.0左右,对应的相对孔径大约为41左右;由于相对孔径不大,视场比较小,只要求校正球差、慧差、轴向色差;因此这类物镜一般都采用最简单的双胶合透镜作为物镜;它的设计方法与一般的双胶合望远镜物镜的设计方法十分相似,不同的只是物体的位置不在无限远,而是位于有限距离;求解的关键是选择合适的玻璃组合,以便同时校正三种像差;2 中倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为⨯⨯12~8,数值孔径为3.0~2.0;最常用的为：数值孔径25.0=NA ,倍率⨯=10β;由于物镜的数值孔径加大,对应的相对孔径增加,孔径高级球差将大大增加,采用一个双胶合透镜已经不能满足要求;为了减小孔径高级球差,这类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合,如图16－3所示,称为李斯特物镜;如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差,即双胶合透镜的0=∑νϕ,这样整个物镜能同时校正轴向色差和 图16－3 李斯特物镜倍率色差;两个透镜组之间通常有较大的空气间隔,这是因为如果两个透镜组密接,则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当,仍然只能校正两种单色像差,如果两个透镜组分离,则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统,最多可能校正四种单色像差,这就增加了系统校正像差的可能性,因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外,还有可能在某种程度上校正像散,以提高轴外物点的成像质量;对于球差和慧差也可以各自单独校正,但那样,每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后,一般总要留有一定量的负像散,再加上系统的不可避免的场曲,使得像面弯曲加重;所以还是两个双胶合透镜的球差、慧差相互补偿为好,这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同时,产生一定量的正像散以补偿场曲;这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”,象求解望远镜物镜那样用解析法求出其结构;也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计;在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下,对前、后双胶合透镜选几种弯曲,求出球差、慧差值,作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而改变的曲线;在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差相互补偿的弯曲;如果玻璃选择的恰当,总可以找出前、后双胶合透镜相互补偿的解;3 高倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为⨯⨯60~40左右,数值孔径大约为8.0~6.0左右,这类物镜的结构如图16－4所示,称为阿米西物镜;它们可以看作是在李斯特物镜的基础上,加上一个或两个由无球差、无慧差的单会聚透镜而构成;所加的半球形透镜前片,一般第一面是平面,第二面是齐名面,即轴上物点的光线经过平面折射以后与光轴的交点位于第二面的齐名点上; 图16－4 阿米西物镜利用这种半球形透镜可以增大数值孔径;如图16－5所示,如果入射到平面上的光线的孔径角为1U 、经过平面折射后的像方孔径角为2/1U U =、经过等晕面第二面折射后的像方孔径角为/2U ,则第一面折射后,有： n U I n n I U 1/1/111/1sin sin sin sin =⋅== 对于第二面,等晕成像公式为：nn n I I U U 1sin sin sin sin 2/2/222/2=== 由此得到21/12/2sin sin sin sin n U n U n U U === 可见,显微镜物镜的后片能够接收的孔径角/2U ,实际上对于物体来说孔径角可以为1U ,这样,可以使显微镜物镜的后片的数值孔径增大到2n 倍; 图16－5 阿米西物镜中等晕透镜的作用在图16－4a 中,前片透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,齐名面不产生球差和慧差,如果把物平面与前片的第一面平面重合,也不产生球差和慧差,但为了工作方便,实际物镜与物平面之间需要留有一定的间隙,这样,透镜的第一面就将产生少量的球差和慧差,它们可以由后面的两个双胶合透镜组进行补偿,前片的色差也同样需要后面的两个双胶合透镜组进行补偿;在图16－4b 中,第一个透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,不产生球差和慧差;第二个透镜也是由一个齐名面和一个平面构成的,它的第一面产生的少量球差和慧差,以及两个透镜的色差,由后面的两个双胶合透镜组进行补偿;这种物镜的设计方法,一般是首先根据要求的倍率和数值孔径确定前组的结构,计算出它们的像差,作为后面两个双胶合透镜组的像差补偿要求,然后进行后组的设计;4 浸液物镜显微镜物镜的分辨率决定于其数值孔径;为了提高显微镜物镜的分辨率,除了增加孔径角U sin 外,还可以提高物方介质的折射率n ;普通显微镜,物点位于空气中,1=n ,其数值孔径U n NA sin ⋅=不可能大于1;为了提高数值孔径,可以在物体与物镜之间充以液体,使液体折射率与盖玻片折射率相近,这样就可以认为显微镜物方介质就是该液体,数值孔径表示式中的n 就是该液体的折射率,一般可达以上,这就可以大大提高了数值孔径;这种显微镜物镜的实际结构如图16－6所示,称为阿贝浸液物镜;第一片为盖玻片,盖在被观察的物体上面;盖玻片与前片之间充满油液,通常用杉木油,其折射率15.1=n ;其数值孔径可以达到3.1~25.1,倍率为⨯100;图16－6 阿贝油浸物镜二 复消色差物镜在一般的消色差显微镜物镜中,物镜的二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高越来越严重,因此在高倍的消色差显微镜物镜中二级光谱往往成为影响成像质量的主要因素,因为二级光谱对应的几何像差数值近似与物镜的焦距成正比,随着物镜倍率的增加,表面上二级光谱色差随着焦距的缩短而减小,但是一定的几何像差数值对应的波像差近似与数值孔径的平方成比例,因此总起来,随着倍率和数值孔径的提高,二级光谱色差所对应的波像差增大;因此在一些质量要求特别高的显微镜中,就要求校正二级光谱色差,称为复消色差物镜;在显微镜物镜中校正二级光谱色差通常采用特殊的光学材料,早期的复消色差物镜中都采用萤石氟化钙5.95,43385.1==νn ,它与一般重冕牌玻璃有相同的部分相对色散,同时具有足够的色散差和折射率差;复消色差物镜的结构一般比相同数值孔径的消色差物镜复杂,因为它要求孔径高级球差和色球差也应得到很好的校正;如图16－7为不同倍率和数值孔径的复消色差物镜的结构,图中划斜线的透镜就是由萤石做成的;由于萤石的工艺性和化学稳定性不好,同时晶体内部有内应力,因此目前很少采用,而改用FK 氟冕玻璃类和TK 特种冕玻璃类玻璃;它们结构同样比较复杂;复消色差物镜往往有较大的剩余倍率色差,要求与具有反号倍率色差的目镜配合使用,这样的专用目镜称为补偿目镜;近年,国际上出现了一种消倍率色差的所谓CF 物镜;这类物镜结构相当复杂,如图16－8为民主德国的CF 物镜;三 平像场物镜前面讲的所有物镜都没有校正场曲;对于高倍率的显微镜物镜,由于它的焦距很短,尽管它的视场不大,但仍然有严重的场曲存在,所以一般高倍显微镜物镜的清晰视场是十分有限的,只有在视场中心很小范围内才是成像清晰的;对于要求有较大的清晰视场的情况,如显微照相,就要求校正物镜的场曲和像散,主要校正匹兹万和;这样的显微镜物镜可以作到在较大的视场内像场较平,成像清晰,称为平像场物镜;校正场曲的方法主要是在靠近物面和像面的地方加入负光焦度,可以产生负的匹兹万和而对偏角影响不大;或者加入若干厚的弯月形透镜;由于显微镜物镜孔径角很大,再加上平像场要求,使得平像场物镜的结构特别复杂;平像场物镜的基本型式如图16－9所示;图16－7 复消色差物镜图16－8 民主德国的CF物镜图16－9 平像场物镜四 平场复消色差物镜在高级研究用显微镜中,既要求有较大的视场,又要求有优良的像质,平场复消色差物镜就是为了满足以上要求发展起来的;它是在平像场物镜中引入部分萤石代替冕牌玻璃;目前,由于氟冕玻璃等的问世,它有取代萤石氟化钙的趋势;平场复消色差物镜在色球差和二级光谱方面都得到较大改善,数值孔径也较普通物镜大;对波长从m μ434.0到m μ656.0光谱区域的像差校正;此类物镜最理想,它既有复消色差物镜的性能,又具有平像场物镜的优点,是目前显微镜发展的方向;如图16－10所示为民主德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构;图16－11是联邦德国莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－12为苏联平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－13为日本奥林巴斯的平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－10 民主德国蔡司平像场复消色差物镜图16－11 联邦德国莱茨平像场复消色差物镜图16－12 苏联平像场复消色差物镜图16－13 日本平像场复消色差物镜五 反射和折反射物镜反射和折反射显微镜物镜比折射式物镜有两个明显的优点：一是容易得到长的工作距离,可以有比焦距大几倍的工作距离；另一个优点是可以有比较宽的消色差谱线范围,并可在光谱的红外和紫外区工作;反射镜不产生色差,在红外和紫外区也可以工作;而对折射物镜,由于能透过红外和紫外的光学材料很少,难于设计出性能良好的物镜;在折反射物镜中,主要的光焦度由反射镜承担,再加上若干校正透镜校正反射镜的像差,这些校正透镜一般口径不大,可以采用特殊光学材料;反射和折反射物镜的缺点是存在中心栏光,入射光瞳为环形,使得物镜对于低对比度物体的分辨率下降;另一个缺点是反射面的加工要求高,物镜的装校困难;如图16－14是一种典型的反射式物镜,5.0=NA ,倍率⨯50,可以在紫外到红外波段范围内工作;图16－15是一种典型的折反射式物镜,5.0=NA ,倍率⨯40,工作距离为mm 18;图16－16是一种折反射式物镜,72.0=NA ,倍率⨯53,可以在紫外波段范围内工作;图16－14 反射式物镜图16－15 折反射式物镜图16－16 用于紫外波段的折反射式物镜§3 低倍消色差显微镜物镜设计低倍消色差显微镜物镜,一般倍率大约为⨯⨯4~3,数值孔径在1.0左右,对应的相对孔径大约为41左右;由于相对孔径不大,视场比较小,采用最简单的双胶合透镜作为物镜;只要求校正球差、慧差、轴向色差;一 低倍显微镜物镜的设计大体步骤1 由物镜的倍率β和物像之间的共轭距L 的要求,确定双胶合物镜的焦距/f 、物距l 、像距/l ;如图16－17所示,首先假定物镜为一个薄透镜;由图可以得到：/l l L +-=、l l /=β、l lf 111//-=由此,可以得到：1-=βL l ,L l L l ⋅-=+=1/ββ,L l l l l f ⋅--=-⋅=2///)1(ββ图16－17 低倍显微镜双胶合物镜的初始结构2 求P 、W 、ⅠC 的规化值∞P 、∞W 、ⅠC ;由于显微镜一般配备一组不同放大倍率的物镜和一组不同放大倍率的目镜,因此在设计显微镜物镜时,一般不能考虑物镜与目镜之间的像差补偿问题,而是分别进行校正,一般要求0=ⅠS 、0=ⅡS 、0=ⅠC ;这样,可以求出双胶合物镜的P 、W ：0==hS P Ⅰ、0=⋅-=J P h S W p Ⅱ 因此P 、W 、ⅠC 的规化值为：0)(3=Φ⋅=h P P ,0)(2=Φ⋅=h WW ,02=Φ⋅=h C C ⅠⅠ 由此可以算出规化值∞P 、∞W：)25()25()14(211211μμ⋅+⋅+=⋅+⋅+-⋅⋅-=∞u u u W u P P )2()2(11μμ+⋅-=+⋅-=∞u u W W式中,lf l f h u u /1/11==Φ⋅= 另外,一般取7.0=μ;3 由∞P 、∞W求0P低倍显微镜物镜的双胶合透镜的形状大致是一个前面半径大后面半径小的双凸透镜,因此取火石玻璃在前冕牌玻璃在后较为有利,这样胶合面半径较大,一方面便于加工,另一方面可以减小高级像差;火石玻璃在前,则2.00=W ,因此：20)2.0(85.0-⨯-=∞∞WP P4 根据0P 和ⅠC 值选玻璃;可以从表中查到几对较好的玻璃组合,找到0P 、1ϕ、0Q 、0W ; 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值35.200P P Q Q -±=∞,和67.100W W Q Q --=∞ 由前一个公式可以求出两个Q 值,选取与第二式求出的Q 值相近的一个,然后它们取平均,作为Q 值;6 由Q 、1ϕ值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值Q r +=121ϕ, Q n n r n r +-⋅=+-=11111112111ϕϕ, 11111111111221221121222233--+-⋅=---+=---=--==n Q n n n Q n r n r C r ϕϕϕϕϕ 7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距/f ,得到曲率半径的实际值：/11f r R ⋅=、/22f r R ⋅=、/33f r R ⋅=8 对双胶合透镜加厚度9 验算像差物镜的结构得出后,即可以用光线光路计算的方法,计算此结构的像差,进行像质评价;如果像质不合格,可以对结构进行一定的修改,直至像质合格为止;图16－18 低倍显微镜双胶合物镜的像差计算在设计显微镜物镜时,计算像差通常按反方向光路进行,如图16－18所示;这样作的好处是,像距反向光路的物距一般为物镜焦距的若干倍,而物距反向光路的像距比较小;如果按正向光路计算像差,在修改像差过程中,由于透镜的焦距和主面位置的少量变化可能造成像距的大量改变,因而使倍率和共轭距都大大地偏离实际要求,有时甚至可能造成虚像;如果按反方向光路计算像差,在物距固定的情况下,透镜组的焦距和主面位置的少量变化,对倍率和共轭距影响很小,同时这样作还有利于提高像差的计算精度;10 缩放共轭距当物镜像质合格后,由于加入厚度及修改结构,其共轭距可能与要求值有所不同,此时需要进行共轭距缩放;即将双胶合物镜的各个曲率半径、中心厚度、边缘厚度乘以一个缩放系数K ,K 是所要求的共轭距与所求出的共轭距的比值;二 设计举例设计一个双胶合低倍消色差显微镜物镜;要求倍率3=β实际为3-=β,数值孔径1.0=NA ,共轭距mm L 180=; 1 求物距、像距、焦距45131801-=--=-=βL l , 135451801/=-=⋅-=+=L l L l ββ,75.331354513545)1(2///=--⨯-=⋅--=-⋅=L l l l l f ββ2 求∞P 、∞W 、ⅠC75.04575.33/1/11-=-===Φ⋅=l f l f h u u取7.0=μ,则：85.2)25()25()14(211211=⋅+⋅+=⋅+⋅+-⋅⋅-=∞μμu u u W u P P 025.2)2()2(11=+⋅-=+⋅-=∞μμu u W W 0=ⅠC 3 求0P 值选择火石玻璃在前,则02.0)2.0025.2(85.085.2)2.0(85.0220=-⨯-=-⨯-=∞∞WP P4 根据0P 值ⅠC ,选择玻璃对根据02.00=P 、0=ⅠC ,查表,选玻璃组合91K ZF -,其对应于0=ⅠC 的062.00=P ,与要求的接近,而且9K 和2ZF 为常用玻璃;同时查得0441.50=Q 、123.11-=ϕ、6725.11=n 、5163.12=n 、234.00=W 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值：972.367.1234.0025.20441.567.100=--=--=∞W W Q Q6 由Q 、1ϕ值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值： 849.2972.3123.1112=+-=+=Q r ϕ114.1849.216475.1123.11112111=+--=+-=r n r ϕ263.115163.1123.11849.21112223-=-+-=--=n r r ϕ 7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值：将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距mm f75.33/=,得到曲率半径的实际值：30.30114.175.33/11==⋅=f r R85.11849.275.33/22==⋅=f r R72.26263.175.33/33-=-=⋅=f r R8 透镜加厚度根据求得的半径和通光口径的要求,确定两个透镜的厚度： 11=d ,5.32=d 9 验算像差几何像差的计算列于下表： h /LA /SC /FC L ∆－－－ 这一结果表明,球差、轴向色差尚未校正好,需要进行微量校正;校正的结果为： 22.301=R ,1.122=R ,5.263-=R ,11=d ,5.32=d ,932.33/=f ,47.43/=l10 缩放共轭距根据加上透镜厚度后的数据,计算得到共轭距变化为97.18247.430.15.3135/21=+++=+++-=l d d l L ,得到缩放因子：984.097.182180==K缩放后,各个折射面的曲率半径为74.291=r 、91.112=r 、08.263-=r ;§4 中倍消色差显微镜物镜设计中倍消色差显微镜物镜通常由两个分离的双胶合透镜组成,这类物镜也称之为李斯特Lister 物镜,它的倍率在⨯⨯10~6之间,数值孔径NA 为3.0~2.0;这种物镜的像差校正方式通常有两种;第一种是两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差,这种校正方案的优点是：两个双胶合透镜组合在一起则为一个中倍物镜,移去—个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用;按这种方案校正的物镜的像散和场曲无法校正;另一种校正方案是两个双胶合透镜的像差不是单独校正的;为了校正像散,两个双胶合透镜各有一定量的球差和慧差当然二者合起来还是校正球差和慧差的;利用这些球差、慧差以及两透镜的间隔来校正像散,很显然,这种结构可以消像散,成像质量较高,但对透镜间隔的变化比较敏感;中倍消色差显微镜物镜的设计也是建立在薄透镜系统的初级像差理论的基础上,利用初级像差公式求解初始结构;不过能够满足初级像差要求的解往往很多,这就要在可能的解中进行选择,找出高级像差较小的结构,计算实际像差,进行像差微量校正;由于整个系统是由两个分离的薄透镜组构成的,由此就产生了一个如何确定每个透镜组的光焦度和它们之间的间隔问题;在显微镜中为了保证物镜和目镜的可更换性,物镜和目镜必须采取分别校正像差的方式进行设计,即要求各种像差校正到零;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反向光路方式,即把像方的量当作物方的量来处理,如图16－19所示;李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使后组的偏角略大于前组;李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;图16－19 李斯特物镜设计一 设计方法在给定显微镜物镜的数值孔径、倍率、共轭距、线视场的条件下,物镜的设计步骤如下： 1 计算外部尺寸由于显微镜物镜的设计是反向光路,可以由数值孔径定出出射光线的孔径角NA u =/2,因此,物方孔径角1u 为：β/21u u =总偏角为：1/2221121u u h h u u u -=Φ⋅+Φ⋅=∆+∆=∆式中,111Φ⋅=∆h u 为第一块透镜所负担的偏角,222Φ⋅=∆h u 为第二块透镜所负担的偏角;这两个偏角需要设计者首先确定,一般可以1112222.12.1Φ⋅=∆=Φ⋅=∆h u h u ,这样,就可以计算出1u ∆和2u ∆;由1/11u u u -=∆,可以得到11/12u u u u +∆==由/l l ⋅=β反向光路和l l L -=/近似,得到物距l 和像距/l ,由此得到第一近轴光线在两个薄透镜上的入射高度：11u l h ⋅=,/2/2u l h ⋅=得到光焦度分配：111h u ∆=Φ,222h u ∆=Φ由图16－19,可以得到：11/1u u u ∆+=因此,可以得到两个透镜之间的间隔：/121u h h d -=给定的线视场,就是反向光路的像高/2y ,由此得到反向光路的物高：/21y y ⋅=β由此可以得到拉赫不变量：/2111y y u n J ⋅=⋅⋅=β由于入射光瞳在第一块透镜处,所以01=p l ,01=p h ;由图16－19得到12p p u u = 212p p p u d h h ⋅-=这样,得到物面全部的外部参数：1Φ、2Φ、1h 、2h 、1p h 、2p h 、1u 、2u 、J ; 2 确定像差校正方程由于要使中倍显徼镜物镜在校正了球差、彗差、像散,而且两块透镜的像差互补,则221121=⋅+⋅=⋅=∑P h P h P h S Ⅰ∑∑=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅+⋅=21212211210W J W J P h P h W J P h S p p p Ⅱ2222221222222222122221112221112121221=Φ⋅+Φ⋅+⋅⋅+⋅=Φ⋅+Φ⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅+⋅=Φ⋅+⋅⋅+⋅=∑∑∑J J W h h J P h h J J W h h J W h h J P h h P h h J W hh J P hh S p p p p p p p p Ⅲ得到有关1P 、2P 、1W 、2W 的方程组;另外,两个双胶合透镜分别校正色差,则01=ⅠC ,02=ⅠC ;3 确定第二块透镜的结构以上三个方程式中共有四个未知数,因此存在无限多个解,另外,最后一个方程式中只包含2P 、2W ,与1P 、1W 、无关,因此在上述偏角分配和空气间隔确定的情况下,系统的消像散条件只与第二个透镜组的结构有关,要使系统能够校正像散,则必须使这一方程式有解;把2P 、2W 、2u 规化,32222)(Φ⋅=h P P ,22222)(Φ⋅=h W W ,2222Φ⋅=h u u 代入前面公式整理以后得：02212=+⋅+A W A P再由)2(222μ+⋅+=∞u W W ,)23()14(222222μ+⋅-+⋅+=∞∞u W u P P得到方程02212=+⋅+∞∞B W B P利用∞2P 、∞2W 之间的关系：。
显微物镜设计
（2）中倍消色差物镜
这类物镜的倍率大约为8～12×，数值孔径在0.2-0.4
中倍消色差物镜采用两个双胶合组。每个双胶合 组分别消色差，整个物镜同时校正轴向色差和垂轴 色差。两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这 是因为如果两透镜组密接整个系统仍相当于一个薄 透镜组，只能校正两种单色像差。如果两透镜组分 离，则相当于两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统， 最多可能校正四种单色像差，增加了系统校正像差 的能力。除了必须校正的球差和正弦差之外，还有 可能校正像散，以提高轴外像点的成像质量。
（1）低倍消色差物镜
这类物镜的倍率大约为3～4×，数值孔径在0.1-0.15, 对应的相对孔径大约为1/4-1/3。
由于焦距比较短，相对孔径不大，视场又比较小， 除校正边缘球差、正弦差和轴向色差，不需要校正 高级像差。因此，低倍消色差物镜都采用最简单的 双胶合组。
它的设计方法和双胶合望远物镜的设计十分相似， 不同的只是物平面不位在无限远 。
的绝对值)代表物镜的倍率。在共轭距L一定的条件
下，和物镜的焦距存在以下关系:
f L (1 )2
(公式中β取负值)
对无限筒长的物镜，焦距和倍率之间的关系由下面
的公式确定: 250
f 物
无论是有限筒长，还是无限筒长，β越大（绝对 值），f’越短。所以物镜的倍率实际上决定了物镜 的焦距。
以无限筒长物镜为例，20×物镜的焦距f’=12.5mm。 100×的物镜焦距只有2.5mm。所以显微物镜的焦 距一般比望远物镜短得多。
一般显微物镜由于没有校正场曲，所成的像位在 一个曲面上，因此在同一平面上不可能得到整个视 场清晰的像。对人眼直接观察的显微镜可以用调焦 的方法，观察视场内不同位置的像来弥补。但是对 用于照相或摄像的显微镜来说，就不可能获得整个 视场的清晰图像。因此高级显微镜要求显微物镜能 在一个像平面上清晰成像，这就要求物镜校正场曲、 像散、垂轴色差等各种轴外像差，这样的显微物镜 称为“平像场物镜” 。
光学设计第16章显微镜物镜设计
光学设计第16章显微镜物镜设计在显微镜中，物镜是显微镜的一个重要组成部分，它决定了显微镜的分辨率和放大倍数。
物镜设计的优劣直接影响显微镜的成像效果。
本章将重点介绍显微镜物镜的设计原理和常见的设计方法。
1.物镜设计原理物镜是显微镜中用于放大样品的光学元件，主要由凸透镜和凹面镜组成。
通过透镜的折射和反射，物镜能够将样品的细节放大并投射到目镜上。
物镜的设计目标是实现高分辨率和高放大倍数。
分辨率决定了物镜能够显示的最小细节，而放大倍数则决定了物镜能够放大的程度。
为了实现高分辨率，物镜需要具有较小的焦距和较高的数值孔径。
而为了实现高放大倍数，物镜需要具有较长的焦距和适当的放大倍数。
2.物镜设计方法物镜设计的一般步骤如下：1)确定显微镜的要求：首先需要确定显微镜的分辨率和放大倍数要求，以及工作距离等参数。
2)选择初设参数：根据显微镜的要求和已知条件，选择合适的初设参数，例如放大倍数和镜片曲率半径。
3)初设设计：根据选择的初设参数，在设计软件中建立物镜的初设模型，并对其进行光学评估。
根据评估结果，对初设模型进行调整和优化。
4)优化设计：通过光机设计软件对初设模型进行优化，使得物镜的性能达到要求。
优化的方式可以是参数优化、智能优化或复合优化等。
5)光机制造：根据优化的设计结果，进行物镜的光机制造。
这包括选择合适的材料和成型方式，以及进行镀膜和组装等工艺过程。
6)测试验证：利用测量仪器对物镜的性能进行测试和验证。
这包括分辨率测试、光学畸变测试和像差测试等。
7)调整优化：根据测试结果，对物镜进行调整和优化，以达到设计要求。
3.物镜设计的注意事项在进行物镜设计时，需要注意以下几个方面：1)数值孔径的选择：数值孔径是物镜中一个重要的参数，它决定了物镜的分辨率和光通量。
因此，在物镜设计中需要根据实际需求选择合适的数值孔径。
2)焦距的选择：焦距决定了物镜的放大倍数和工作距离。
较长的焦距可以实现较高的放大倍数，但也会增加工作距离。
简单光学镜头优化设计_——_-5倍显微物镜的优化设计解析
简单光学镜头优化设计设计任务（1）——-5×显微物镜的优化设计姓名：洪梅华学号：201028015926012培养单位：中国科学院微电子研究所专业：微电子学与固体电子学任务要求：-5×显微物镜的优化设计利用ZEMAX程序优化设计一个-5×显微物镜。
先依据初级像差理论解出初始结构，然后在计算机上进行优化，找到一个像质较优的解。
-5×显微物镜展开的光路如下简图 1-1 所示。
图1-1 -5×显微物镜展开光路简图具体设计任务的要求为：（1）焦距f' =23.6mm；数值孔径NA=0.15(u' =0.15rad)；线视场2y=15mm；按照计算光路的方向，横向放大率β= -1/ 5⨯；（2）光路中有一块棱镜，展开长度为d=38.63mm，材料是K9玻璃。
它离物平面24.19mm，即l1= -24.19mm；离物镜 92mm，即d2= 92mm；（3）镜头采用双胶结构，孔径光阑安放在物镜上；（4）镜头只消球差，彗差和位置色差；（5）像质按显微物镜像差允限要求；（6）该显微物镜用于目视观察，对d光消单色像差，对F光和C光消色差。
（7）用PW方法选出玻璃对，解出初始结构；（8）利用ZEMAX程序优化初始结构，使像质达到像差公差要求；（9）这个低倍显微物镜的相差公差是：A、球差：球差的公差有两部分构成，即全口径边缘轴向球差δL m'和剩余轴向球差δL'。
球差的公差为：δ L '≤λ= 0.026( mm) m n'u'2mδ L ' ≤6λ= 0.155( mm) n'u'2m上式中，λ是d光波长，n'和u m'分别是像方折射率和像方最大孔径角。
B、位置色差：由于不同波长（色光）的球差一般不同，所以光学系统中存在色球差。
对于双胶合这种结构简单的镜头，一般只要求在0.707孔径处得位置色差为：L '- L '≤λ= 0.026( mm)F C n'u'2mC、正弦差OSC'：正弦差OSC'的公差要求是：OSC' ≤0.0025设计步骤一：依据初级像差理论求解初始结构1、棱镜的初级像差数据计算：近轴情况下，按照计算光路，物方数值孔径为：u1= u '/γ= u 'β=0.15⨯(-1/ 5)= -0.03rad棱镜的等效空气为：d ' = d / n =38.63= 25.4753mm 1.51637物方视场角为：u p=y=7.5 =7.5 = -0.05294rad l1-d '-d2-24.19-25.4753-92 -141.6653由附录B提供的公式，计算出平行平板的有关像差系数如下：41-n2-5S= u d= -1.166 ⨯10mmn3Ip1S= u 3u1 d1-n2= -2.058 ⨯10-5mmIIp1pn3C= u2d (1- n)= -1.218 ⨯10-4mmν n2Ip1式中u1= -0 . 0 3r a d为物镜的物方孔径角；u p= -0 . 0 5 2 9r4a d为物方视场角；d =3 8 . 6 3m m为棱镜展开后平板的厚度； n =1.51637和ν=64.13分别是K9玻璃的折射率和阿贝数；像差系数的下标 p 表示该系数是属于棱镜的。
25×显微镜物镜设计
应用光学课程设计报告姓名：刘思蔚、靳欢、张琪专业与班级：光信1班指导教师：朱亚东专业设计名称：25x显微镜物镜设计专业设计单位：天津理工大学目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1绪论 (1)2物镜设计方案 (2)3物镜设计参数及镜片选择 (3)3.1物镜的数值孔径 (3)3.2物镜的鉴别率 (3)3.3物镜的有效放大倍数 (4)3.4垂直鉴别率 (5)3.5实际参数确定 (5)4 25×显微镜物镜光学系统仿真过程 (6)4.1选择初始结构并设置参数 (6)4.2自动优化 (6)4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (8)4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (9)4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (9)4.6最终仿真参数分析 (10)5心得体会 (13)6参考文献 (14)摘要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.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。
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非球面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AbstractThe 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-tuningparameters - 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Zemax是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。
25×显微物镜设计ppt课件
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6.93（选择第2波长）
27
像差曲线分析
• 球差，位置色差， 二级光谱：
• Analysis miscellaneou s
longitudinal aberration
• 横坐标是球差 • 纵坐标是孔径
28
轴外细光束像差曲线
• 象散，场曲: Analysis
miscellaneous field
curv/distortion （Fcd） • 不同颜色表示不同色 光，T和S分别表示子 午和弧矢量，同色的 T和S间的距离表示像 散的大小，纵坐标为 视场，横坐标是场曲
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• 畸变: Analysis
miscellaneou s field curv/distorti on • 纵坐标为视场 • 横坐标是畸变 的百分比值。
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• 波像差
• Analysis Wavefront Wavefront map
• 如果光学系统的波像 差小于瑞利准则1/4 波长，则光学系统满 足像质要求，而瑞利 准则没有考虑缺陷的 面积，仅适用于小像 差系统
• PEAK TO VALLEY
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Zemax中常用的优化操作数
• EFFL 透镜单元的有效焦距 • TOTR 透镜单元的总长 • SPHA 在规定面出的波球差分布 • COMA 透过面彗差 • ASTI 透过面像散 • FCUR透过面场曲 • DIST透过面波畸变 • 注意：限制越少越好
• 3. 光学系统某个视场的MTFT，MTFS不好， 则在系统中针对这个视场设定渐晕。
• 4.增大视场或者增大口径时，要一点一点地 增大。
24
• 5.减掉某个透镜时，要一点一点地减小透镜 的厚度
0.5×～2.5×长工作距离变焦距显微物镜设计
0.5×～2.5×长工作距离变焦距显微物镜设计冯浩男;梅启升;梁秀玲【摘要】根据变焦距理论和显微物镜的特点,利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜.该物镜由4组双胶合透镜组构成,结构简单,成像质量良好,变倍范围在0.5×～2.5×之间,最大数值孔径达到0.1,共轭距346 mm,物距76 mm,空间频率65 lp/mm处,全视场内的调制传递函数均大于0.3,适用于可见光光谱,可以与1/2 inch CCD相匹配.通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析,得到一套比较宽松的公差,适合批量生产.设计结果表明,该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】7页(P40-46)【关键词】光学设计;变焦距显微物镜;机械补偿;公差分析【作者】冯浩男;梅启升;梁秀玲【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN202引言随着现代工业、化工业的发展,新型变倍显微系统在各方面展现出巨大的需求。
变倍显微系统是指焦距在一定范围内连续或者间隔改变而像面保持不动的光学系统,在固定像面上可以获得放大倍率不同的像,从而起到代替多个固定倍率镜头的作用。
变倍显微系统通过变倍物镜把观测物成像在CMOS或CCD靶面上,并将图像显示在显示器中,因不易产生疲劳,适合不间断观察。
由于其放大倍数可变,无需更换镜头就可以满足不同视场的观测要求。
该系统具有直观、真实、方便记录以及观察不同视场不需更换镜头的特点,故其广泛应用于印刷线路板、集成电路、液晶屏的检验,以及其他一些行业,如食品、药物的检验,植物、生物的观察等。
光学设计实例——显微镜物镜、双高斯照相物镜
底片尺寸（36mm×24mm）是打印纸 的1/7.06倍, 则底片上成像弥散斑直径为 0.003/7.06=0.00042英寸=0.0107mm；
对于一个真正的照相系统，通常对 MTF Nhomakorabea更复杂的技术要求。
8
146
双高斯物镜设计实例
双高斯物镜
双高斯物镜是一个对称型结构，借以校正垂轴像差——彗差、畸变和垂轴色差， 因此其每一半应能校正轴向像差——球差、像散、场曲和轴向色差；保持其对称性很 重要。 为校正场曲，必须有两个正负光焦度且分离的薄透镜组，最简单的就是弯月厚透 镜；高斯结构的特点是凸面靠外，这有利于其提高相对孔径，但它不能校正球差和轴 向色差，为此把弯月厚透镜变成双胶合透镜，但双胶合透镜内的光焦度分配主要考虑 的是校正场曲，轴向色差可能得不到很好校正，为此又加了一个分离的正透镜，它也 分担了双胶合正透镜的一部分光焦度。 用正负光焦度分配校正场曲；有了正负光焦度的透镜，选择折射率并弯曲透镜， 可使球差校正，选择色散可以使轴向色差校正。光阑的恰当位置可以使像散校正。
18
双高斯物镜设计实例(Zemax数据8) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据8) (Zemax数据
19
MTF（47） MTF（47）
20
双高斯物镜设计实例(Zemax数据) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据) (Zemax数据
21
MTF（50） MTF（50）
22
11
双高斯物镜设计实例(原始数据) 双高斯物镜设计实例(原始数据)
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双高斯物镜设计实例(设计结果1) 双高斯物镜设计实例(设计结果1)
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双高斯物镜设计实例(设计结果2) 双高斯物镜设计实例(设计结果2)
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25×显微物镜设计
• 光程差 • Analysis Fans Optical Path（Opd） • 横坐标表示光束 孔径大小，纵坐 标表示光程差 • 图中数据表明纵 坐标（光程差） 的最大值，0.5个 波长
• 波像差
• Analysis Wavefront Wavefront map • 如果光学系统的波像 差小于瑞利准则1/4波 长，则光学系统满足 像质要求，而瑞利准 则没有考虑缺陷的面 积，仅适用于小像差 系统 • PEAK TO VALLEY
经过以上5步优化后，如果像质还达不到要求：
• 1.尝试将特殊位置的薄透镜换成弯月透镜， 鼓形透镜等厚透镜。 • 2.换玻璃。如果单透镜的弯曲过于强烈， 则换成折射率高的玻璃。如果胶合透镜胶 合面的弯曲过大，则增加两个玻璃的阿贝 数之差。 • （设计双胶合透镜时，透镜要有相近的热 膨胀系数。） • 3.将系统复杂化。分裂玻璃，或者在特殊 位置加入场镜。
0 .5 NA
• 从等式中可以看出，增加数值孔径NA或减小 波长可以提高显微物镜的分辨率 • 2.计算MTF特征频率
0 .5 NA 0 . 5 0 . 588 m 0 .4
1 mm 0 . 735 m 1361 lp / mm
0 . 735 m
• MTF特征频率为
参数设定
• 数值孔径输入： • NA=0.4 β=-25, 对应的像方数值孔 径NA’=0.016
•错误信息，因 此需首先给定物距
• 视场输入： 物在有限距离，输入线视场（mm），物像 颠倒，故y=y’β=12.5
• 波段输入： D、F、C光，即普通白光入射
设计理念
• 系统总偏角为0.416，消色差双胶合物镜负 担最大偏角为0.15，单透镜负担最大偏角 为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，负透镜置后。
25×显微镜物镜设计
课程设计任务书学生姓名：陈天宇专业班级：电子科学与技术0703班指导教师：李成军工作单位：信息工程学院 ________题目：25 X显微镜物镜设计初始条件：计算机、zemax软件要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求)1、课程设计工作量：2周技术要求：(1)学习zemax软件。
(2)设计一个25X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 X,物方数值孔径NA=0.4,物高为1mn左右。
(3)对所设计的相机光学系统进行zemax软件仿真工作。
2、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：2010628做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
2010628-6.30 查阅相关资料，并复习所设计内容的基本理论知识。
2010.7.1-7.8 学习zemax软件，对相机光学系统进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2010.7.9提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名:系主任(或责任教师)签名:摘要 ....................................................................... ..... ABSTRACT ................................................................................... II.1绪论 (1)2物镜设计方案 (2)3物镜设计参数及镜片选择 (3)3.1物镜的数值孔径 (3)3.2物镜的鉴别率 (3)3.3物镜的有效放大倍数 (4)3.4垂直鉴别率 (5)3.5实际参数确定 (5)4 25X显微镜物镜光学系统仿真过程 (6)4.1选择初始结构并设置参数 (6)4.2自动优化 (6)4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION )分析 (8)4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (9)4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (9)4.6最终仿真参数分析 (10)5心得体会 (11)6参考文献 (12)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。
[新版]显微镜部件验收标准物镜
![[新版]显微镜部件验收标准物镜](https://img.taocdn.com/s3/m/9e2e98c581eb6294dd88d0d233d4b14e85243e02.png)
显微镜部件验收规范物镜1.适用范围本规范适用于共轭距离为185mm、195mm和无限远的明场观察的生物显微镜物镜，不适合于偏光显微镜物镜和体视显微镜物镜。
2.基本参数2.1 放大率应符合应符合下数系：……3.2、4、5、6.3、8、10、12.5、16、20、25、32、40、50、63、80、100……2.2 共轭距离规定为185mm、195mm和无限远，物镜的像距为无穷远的光学系统，其镜筒透镜的焦距应在160、200、250中选用。
2.3 共轭距离为185mm、195mm的物镜，其机械筒长规定为160mm。
2.4 物镜齐焦距离不包含盖玻片时为35mm、45mm，包含盖玻片时为35.06mm、45.06mm。
2.5 物镜的数值孔径不应小于表1的规定。
2.6 物镜螺纹为WJ4/5”×1/36”。
2.7 外表应美观，具体要求如下：a.仪器的外表面不应有毛刺、划痕、锐边应倒棱，接合处应齐整，螺钉起子槽不应有拧伤现象。
b.涂、镀层应牢固，不应有褪色、剥落和锈斑。
相同的涂、镀层颜色应均匀一致。
c.光学系统成像应清晰，无妨碍的杂光。
光学零件不应有明显的麻点、划痕、气泡、灰尘和沉积物。
d.光路转换装置应灵活可靠，重复性良好。
e.仪器的固定连接机构应紧固可靠。
f.可转动、滑动和倾斜的部位应稳定可靠。
有定位时，定位应准确。
g.操作部位不应有因自重和添加附件而引起的位移。
h.制动限止机构应有效、可靠。
3 技术要求3.1 各类物镜应校正好相应的像差。
消色差物镜应校正好球差、色差和慧差。
半平场消色差物镜除了必须达到消色差物镜的要求外，还应适当校正物镜的场曲。
平场消色差物镜除了必须达到消色差物镜的要求外，还应很好地校正物镜的场曲。
平场半复消色差物镜除了必须达到平场消色差物镜的要求外，还应较好地校正物镜的二级光谱。
平场复消色差物镜除了必须达到平场消色差物镜的要求外，还应很好地校正物镜的二级光谱和色球差。
对于A型物镜应校正垂轴色差。
显微镜 显微镜物镜的命名 第1部分：像场平面度 平场-最新国标
显微镜显微镜物镜的命名第1部分：像场平面度/平场1 范围本文件规定了在显微镜物镜上标志“平场”的用法，并定义了一个平面物体表面像清晰区域的直径。
本文件适用于使用制造商规定的物镜、镜筒透镜和目镜组合的目视观察。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
ISO 8578 显微镜物镜和目镜的标志（Microscopes — Marking of objectives and eyepieces）注：G B/T 22056-2018 显微镜物镜和目镜的标志（ISO 8578:2012,MOD）ISO 10934 显微镜光学显微术术语（Microscopes — Vocabulary for light microscopy）注1：ISO 19012-1:2013的规范性引用文件ISO 10934-1，被ISO 10934代替。
ISO 10934被引用的内容与ISO 10934-1被引用的内容没有技术上的差异。
注2：GB/T 27668-××××显微镜光学显微术术语（ISO 10934:2020,MOD）。
3 术语和定义ISO 10934界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1子午结构物体tangential structured object包含垂直于物场半径的短线的物体。
3.2子午像面tangential image surface所有子午结构物体聚焦并在主像空间中清晰成像的表面，除了像散和匹兹万曲率外，忽略其它像差。
3.3弧矢结构物体sagittal structured object包含平行于物场半径的短线的物体。
3.4弧矢像面sagittal image surface所有弧矢结构物体聚焦并在主像空间中清晰成像的表面，除了像散和匹兹万曲率外，忽略其它像差。
CODEV_显微物镜的设计
M O 0.6 D U L 0.5 A T I O 0.4 N
0.3
0.2
0.1
55
110
165
220
275
330
385
440
495
550
SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM)
2010-6-12
显微镜物镜的设计
20
放开玻璃移动孔径位置再优化
2010-6-12
显微镜物镜的设计
21
WAVELENGTH 656.3 NM 587.6 NM 486.1 NM
WEIGHT 1 1 1
DEFOCUSING 0.00000
0.9
0.8
0.7
M O 0.6 D U L 0.5 A T I O 0.4 N
0.3
0.2
0.1
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
2010-6-12
显微镜物镜的设计
7
4X显微物镜设计考虑
• 设计时倒过来设计，即从长距离共轭到短距离 共轭。 • 放大率为1/4，EFFL=30.5832mm. • 物空间 NA=0.1/4＝0.025。 • 线视场，物高18mm(这一个值是固定的)，这样 像高为4.5（倒过来）。 • 用一个双胶合消色差透镜。 • 对F，C光消色差。
2010-6-12 显微镜物镜的设计 3
显微镜物镜系列的特性分析
• 显微镜物镜基本参数及其对应的光学性能
倍率 NA 眼睛所能分开的两点 间距（明视距离） 线对/mm 景深(um) 工作距离(mm) 10X 0.25 0.00112 446 8 6.5 20X 0.50 0.00056 892 1.6 3.2 40X 0.65 0.000431 1160 0.76 0.48 60X 0.8-0.85 0.00035 1428 0.41 0.25 100X 1.25-1.50 0.000224 2232 0.16 0.1
光学设计显微镜物镜设计
光学设计显微镜物镜设计光学设计是一门研究光的传输和控制的学科，它具有广泛的应用领域，其中之一就是显微镜物镜设计。
显微镜物镜是显微镜的核心部件，用来放大被观察样品的细节，因此它的设计和性能对于显微镜的成像质量、分辨率和放大倍数具有重要影响。
在显微镜物镜的设计过程中，首先需要确定物镜的放大倍数和目标分辨率。
放大倍数决定了显微镜观察的细节程度，而目标分辨率指的是物镜能够分辨的最小细节大小。
接下来，设计师需要选择适当的物镜类型和结构。
常见的物镜类型包括简单透镜物镜和复合物镜。
简单透镜物镜由一个或多个透镜组成，通常具有较低的成本和较简单的结构。
复合物镜则是由多个透镜组成，通过调整透镜的参数和位置，可以提高物镜的性能和成像质量。
在物镜的设计中，焦距是一个重要的参数，它决定了物镜的放大倍数。
设计师可以通过调整透镜的曲率和位置，来控制焦距的大小。
另外，物镜的孔径也是一个重要的参数。
孔径指的是物镜的光圈直径，它决定了物镜的分辨率和光通量。
通过增大物镜的孔径，可以提高其分辨率和透光能力，但也会增加成本和制造难度。
除了焦距和孔径，设计师还需要考虑其他一些参数，如色差、球差和像差。
色差是指物镜在不同波长下成像位置不一致的现象，可以通过使用具有不同折射率的玻璃片组成复合透镜来纠正。
球差是指球面像差，它会导致像场的非均匀性，可以通过调整透镜的曲率来纠正。
像差是指成像时产生的其他畸变，如畸变、像差等，可以通过优化透镜的形状和位置来纠正。
在物镜设计的过程中，设计师通常会使用光学设计软件来模拟并优化物镜的性能和成像质量。
通过对不同参数的调整和优化，设计师可以获得最佳的物镜设计方案。
总之，显微镜物镜设计是一项复杂而重要的任务。
通过合理选择物镜类型、调整透镜参数和优化设计方案，可以实现显微镜成像质量的提高和分辨率的增加。
这将有助于科学研究和实验分析，为人们提供更准确、更清晰的显微观察结果。
0_25_高分辨力视频显微镜设计
第30卷 第1期2008年2月光 学 仪 器OP TICAL INSTRUM EN TS Vol.30,No.1 February ,2008 文章编号:100525630(2008)01200632033收稿日期:2007205211作者简介:庄振锋(1983-),男,福建泉州人,硕士研究生,主要从事仪器设计与光学设计方面的研究。
0.25×高分辨力视频显微镜设计庄振锋,王 敏,陈 荣(福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建 福州 350007)摘要:由于CMOS 、CCD 探测器的广泛应用,及其分辨力的提高,人们对视频显微镜的分辨力提出了更高的要求。
分析了大视场视频显微镜的像差特点,并利用光学设计软件Zemax 进行光学效果的模拟,给出了数值孔径0.05,光学放大倍数0.25,视场直径为31mm ,分辨力200万像素光学系统的设计结果。
关键词:视频显微镜;光学设计;大视场;高分辨力;Zemax中图分类号:T H 742.9 文献标识码:ADesign of 0.25×TV micro 2lens with high resolutionZ H UA N G Zhenf eng ,W A N G M i n ,C H EN Rong(School of Physics and Optoelectronics Technology ,Fujian Normal University ,Fuzhou 350007,China )Abstract :Because CMOS 、CCD detectors are widely used in optical inst rument s ,imp roving of resolution ,people wish to get higher and higher resolution of TV lens.In t his paper t he aberration p roperties of an optical system wit h large visual field are analyzed ,and obtained t he optical model result s of TV micro 2lens in t he optical design software Zemax.The designed result s of number Apert ure NA =0.05,optical magnification 0.25,visual field diameter 31mm ,2.0mega pixels for TV micro 2lens are given.K ey w ords :TV micro 2lens ;optical design ;large visual field ;high resolution ;Zemax 引 言视频显微镜系统,就是通过高清晰视频显微镜把观测物成像在CMOS 或CCD 靶面并将图像显示在监视器或将视频信号转换成数字信号储存在计算机中,结合二维或三维测量软件可以对观测物进行定量检测。
光学设计报告——显微镜【精选】
光学课程设计报告姓名：***学号：********学院：仪器科学光电信息工程学院班级：光信2班指导老师：***设计任务要求设计题目：显微镜设计要求：目镜: 放大率19倍物镜：放大率6倍共轭距150mm中间像直径大于6mm课程要求熟悉ZEMAX的基本操作完成《ZEMAX练习内容.docx》内容按照给定参数，设计显微目镜、物镜，并组合。
完成课程设计报告物镜一、物镜系统选择按照参数，从《光学仪器设计手册-显微物镜.doc》中选取编号4-03号物镜。
该结构有如下特征：1、放大率为-5，接近目标值-6。
2、采用对称结构，可以有效降低加工难度和成本。
物镜镜头如图：将该物镜的镜头数据输入到新建LDE表格中。
根据条件，系统物面空间NA设为0.26，便于目镜的选择制作。
视场数据选用如图所示：先把各个面曲率半径设为可变，确定默认优化函数PMAG为6倍后开始优化。
物镜镜头共轭距改为150mm，要进行镜头缩放。
1、优化结果分析镜头结构：物镜数据优化表格：该物镜镜头同时替换了玻璃，进行了锤形优化使镜头SPT图显示更好。
SPT图：通过数据可以看出，优化结果还可以。
我们还可以从多个图分析该镜头的优化程度，接下来呈现多个优化结果。
MTF图：系统信息图：通过该系统信息图可知Image Space NA 是0.04483145，这就是所需匹配目镜的物间空间NA，目镜一、目镜系统选择1、目镜要求：放大率 19物空间NA 0.04483145目镜焦距 13.158mm根据目镜目标参数，选择镜头型号规格如图所示：输入到ZEMAX表格中。
2、优化过程注意PARAXIAL的最后要设为23mm，眼睛镜头到像面（视网膜面）的最适距离。
各曲率半径设为变量，玻璃镜头设为替换(进行自动优化和锤形优化）。
默认目标函数改为EFFL（13.158）。
优化过程中镜头要反转，反复的调节back foal length，使它接近目镜的EFFL.二、目镜优化分析优化后的目镜结构：SPT图：MTF图：组合一、组合状态合并后数据如下：光路结构图如下：调节物像高度使中间像高直径大于6mm二、像质评价组合镜头SPT图：对SPT图数据分析：73*近轴放大率（12.7）/{（30.68/2）^2+[(21.468+19.932+19.239)/3]^2}大约等于37。
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应用光学课程设计报告姓名：刘思蔚、靳欢、张琪专业与班级：光信1班指导教师：朱亚东专业设计名称：25x显微镜物镜设计专业设计单位：天津理工大学目录摘要 (I)ABSTRACT (I)1绪论 ............................................................................................................................ I I 2物镜设计方案 (1)3物镜设计参数及镜片选择 (2)3.1物镜的数值孔径 (2)3.2物镜的鉴别率 (3)3.3物镜的有效放大倍数 (4)3.4垂直鉴别率 (4)3.5实际参数确定 (4)4 25×显微镜物镜光学系统仿真过程 (5)4.1选择初始结构并设置参数 (5)4.2自动优化 (5)4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6)4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7)4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8)4.6最终仿真参数分析 (9)5心得体会 (10)6参考文献 (10)摘要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.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。
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非球面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AbstractThe 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-tuningparameters - 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Zemax是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。
这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。
十几年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行更新，赋予Zemax更为强大的功能，因而被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。
Zemax采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。
序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。
这一模式下，Zemax 以面作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。
光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，追迹速度很快。
许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。
这种模式下，Zemax以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。
与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。
但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。
在一些较为复杂的光学系统中，可以同时使用序列和非序列光线追迹。
根据需要，可以采用序列光学表面与任意形状、方向或位置的非序列组件进行结合，共同形成一个系统结构。
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，相距远大于物距，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。
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。
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，这种方案的有点是：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。
其总设计图如下：图1 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。
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，有两个提高数字孔径的途径：（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（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（S1S1′）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。
（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。
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。
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、A 2作为光学统的分辨极限。
θ称为极限分辨角。
不言而喻，当θ＞θ时是完全可分辨的，θ＜θ时是不可分辨的。
由圆孔衍射理论得到：θ=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θ很小，所以由图2-4得：d′≈θ=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′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各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。