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带校正环的物镜光学设计论文

时间:2017-10-10 09:12来源:本站整理 作者:admin 点击:
引 言 由于盖玻片的制造误差使其厚度不一,而高数值孔径的显微物镜对盖玻片厚度要求较高,因而导致成像质量下降,对应的性能下降数值[1]如表1所示。另外由于所调查标本掩盖的盖玻片厚度标准不同(例如运用在工业调查导电粒子时,玻璃盖板厚度不均),就需要
  引 言
 
  由于盖玻片的制造误差使其厚度不一,而高数值孔径的显微物镜对盖玻片厚度要求较高,因而导致成像质量下降,对应的性能下降数值[1]如表1所示。另外由于所调查标本掩盖的盖玻片厚度标准不同(例如运用在工业调查导电粒子时,玻璃盖板厚度不均),就需要替换不同标准的物镜运用,会形成客户生产成本的增加和管理的混乱。所以根据上述的需要出发,本文设计一款带校正环的物镜,在物镜的中部装有环状的调节环,当转动调节环时,可调节物镜内透镜组之间的距离,然后校正由盖玻片厚度不标准引起的像差。
 
  1 设计参数
 
  四大品牌(Zeiss/Leica/Olympus/Nikon)对应的物镜参数如表2所示,综合考虑客户的需要和市场定位,设定此设计目标为:数值孔径为0.6,最大工作距离为3.3 mm,焦距为4.5 mm(与焦距为180 mm的管镜合作),校正的盖玻片厚度规模为0~1.5 mm,满意Ф20 mm视场。
 
  2 光学设计
 
  2.1 初始结构的选择
 
  关于光学设计者来说,最好最快的方法是直接从专利中选取一个适当的结构作为初始结构[2]。选择初始结构的原则是数值孔径和视场与设计的要求适当[3],通过对主要的参数目标分析计算,然后从镜头专利库ZEBASE中选择一个NA=0.65的40倍镜头作为初始结构。
 
  2.2 设计思路
 
  此物镜属于高倍物镜,相对孔径较大,那么在系统像差校正时困难较大,若在系统的前部放一齐明透镜,则对轴上点不引入像差,这样大大减少了后边系统的孔径角负担,系统的剩余像差不大[4]。
 
  为不失一般性,设前组为一弯月透镜,如图1所示,其玻璃折射率为n。
 
  由以上关系式就能够求出所要求的前组结构[5]。
 
  不同于其它固定距离的光学系统,此光学系统需要通过调节透镜组之间的距离来校正由盖玻片厚度不标准引起的像差,所以在设计中要选定一透镜组为动组来平衡像差,而且需要操控该透镜组前后的距离总和保持不变。该系统跟变焦系统相似,也是靠改变距离来校正平衡像差,不同的是此系统的焦距不变。
 
  为了便于像差校正,在显微物镜设计中按反向光路计算[6]。
 
  2.3 优化过程
 
  显微镜物镜属于大孔径、小视场的小像差系统,有必要校正好球差、彗差和色差[3]。在优化函数中设定合理的操作数进行优化。
 
  (1) 由于有多个结构所以要设置多重结构进行优化,在多个结构中有侧重点,考虑到实践用处,在此设置1.1 mm厚的盖玻片为主要结构进行优化,一起统筹0和1.5 mm,为了让曲线滑润,能够设置多个结构,每个结构之间改变较少。
 
  (2) 选择系统默许的优化函数,优化参阅值选择像质评估目标的均方根值,运用波像差及像质目标的零点在质心。在选项中填写适宜的空气距离和玻璃约束条件进行优化。
 
  (3) 用操作数EFFL操控主波长的有效焦距为4.5 mm,用操作数RAID设定最终一面的入射视点来操控NA,用操作数TTHI操控距离。
 
  (4) 将操作数STOP光阑面的方位设为变量进行优化。
 
  (5) 用操作数LONA操控球差,用操作数TRAY操控彗差。
 
  (6) 用操作数LACL和AXCL操控色差(在这儿保存一定倍率色差和管镜合作)。
 
  (7) 从玻璃厂商OHARA的资料库中选取适宜的透镜资料进行优化。   运用Zemax对透镜进行主动优化时分红三个阶段来进行。
 
  第一阶段先校正根本像差,如球差、彗差、色差和场曲。要根据系统一切面的赛得系数奉献大小进行调整,使得每个面的像差奉献均匀。第二阶段校正高级像差,完成初级像差校正之后,分析系统的像差找出最重要的高级像差,再对其校正,只要在根本的像差得到校正的前提下,校正高级像差才有含义。第三阶段像差平衡,在校正完各高级像差之后,如果高级像差和初级像差不能平衡就会对像质产生影响,所以要根据系统的全视场和全孔径的像差散布规则,改变各个操作数的权重,从头进行像差校正和平衡。
 
  2 设计结果
 
  运用Zemax软件对初始结构进行仿真设计和优化,其优化后的光学系统如图2所示。该系统的具体参数见表3所示。
 
  3 结果分析
 
  由于该物镜的光学系统属于小像差光学系统,所以要选择适宜的光学系统成像质量的评估方法,这儿选用瑞利判别、中心点亮度及光学传递函数来评估成像质量。瑞利判别是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判别光学系统的成像质量的,实践波面与参阅球面波之间的最大波像差不超越λ/4时,此波面可看作是无缺点的。而中心点亮度是根据光学系统存在像差时,其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表明光学系统的成像质量的,此比值用S.D来表明,当S.D≥0.8时,以为光学系统的成像质量是完善的。光学传递函数是反映物体不同频率成分的传递能力,高频部分反映物体的细节传递情况,中频部分反映物体的层次传递情况,而低频部分则反映物体的轮廓传递情况[3]。
 
  图3~5分别为两种不同盖玻片的像差图,中心点亮图、MTF图。从图3中能够看出最大的波像差不超越λ/4,此波面是无缺点的。
 
  从图4中能够看出一切视场的S.D>0.8,所以系统的成像质量是完善的。
 
  从图5中能够看出系统的MTF在高频、中频及低频都有较高的值,能很好的反映物体的细节和层次以及轮廓情况。
 
  4 结 论
 
  本文设计了一款可校正盖玻片厚度的显微物镜,并给出了该系统的具体参数和系统的成像质量图形。在Zemax中运用适宜的优化函数对像差进行校正,较好地消除了影响成像质量的像差,使得该系统能取得较好的成像质量和较高的分辨率。

【编辑:小刁】
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