zemax设计显微镜课件.ppt

25×显微镜物镜设计;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;2物镜设计方案;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;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;（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。;（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;;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′;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;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;;3.4垂直鉴别率;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;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