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)0120063203

3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:A

Design of 0.25×TV micro 2lens with high resolution

Z 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。从而代替观察者的眼睛,实现了人视觉到机器视觉的转变、定性检查到定量检查的转变以及进行实时动态的记录,极大地提高了工作效率,克服了人为检测的不确定性。适宜长时间的显微观察,不易疲劳[1]。如今,视频显微镜不仅仅是实验室教学科研研究的重要工具,更多地应用到工业生产、安全检测等领域。

视频显微镜较传统的显微镜具有较长的工作距离,较高的分辨力及大视场、大景深、高清晰度等特点,在工业生产及检测领域均得到广泛的应用。如纺织工业中原料及棉毛的检验;电子工业中精密机械工业零件的装配和检验;材料的裂缝构成,气孔形状腐蚀情况等表面状况的检查;公安侦察,以及伪造证件检测分析。视频显微镜是高清晰工业显微系统的重要组成部分。

光　学　仪　器第30卷　

因此,视频显微镜具有广泛的应用领域以及较大的市场需求量。然而,国内视频显微镜头的发展起步较晚、产品规格少,大多数产品存在着视场小 分辨力不高等缺点,而且随着电子元器件集成度提高,CMOS 和CCD 分辨力的提高,监视器尺寸不断增大,需要有更高分辨力的光学系统。因此研究高分辨力视频显微镜具有重要的现实意义。

　像差特点

由于系统具有视场大,工作距离大于焦距等特点,这些特点都给轴外像差校正带来了难度,但由于该系统数值孔径只有0.05,因此有较小的球差和彗差。为了获得优良的成像质量,现依次进行以下几种像差的校正。

首先是轴向色差的校正。轴向色差表示不同颜色光线理想像面位置的差,跟口径和光阑位置没有关系,所以必须首先消除,系统采用冕牌与火石的分离透镜可以有效的减小色差。

其次是场曲的校正。镜头在结构上采用正 负两分离的薄透镜,它们的光焦度分别为

S I V =J 2∑<薄n

=J 2(

　优化设计

　光学设计指标

在视频显微镜设计中采用6.4mm ×4.8mm 面阵CCD 。光学系统设计指标如下: 焦距27mm ; 视场直径32mm ;

主波长587nm ; 工作波段486～656nm ;

数值孔径0.05; 工作距离110mm 。

　设计结果分析

综合考虑光谱范围、工作距离的长短、系统总长、透镜边缘厚度、面型加工是否困难之后,经过反复优化,最后完成0.25×视频显微镜光学系统,图1是设计结果光学系统示意图。该系统的特征是在镜座内设置有五片物镜和一固定光阑。从物方数起,第一片物镜为一平凸透镜,使轴外光束经平凸透镜后与主轴斜角大大地减小,物镜二、五均为双凸透镜,物镜三为双凹负透镜,物镜四为弯月负透镜,光阑位于物镜三与物镜四之间

。

图1　光学系统外形图

Fig.1　Layout of optical

system 图2　点列图Fig.2　Spot diagram

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