光电134-苗书凡-显微镜物镜设计

大连民族大学工程光学课程设计（论文）显微镜物镜设计学院（系）：物理与材料工程学院专业：光电信息科学与工程学生姓名：苗书凡学号：2013151415指导教师：洪义、丛妍完成日期：2016-9-23大连民族大学显微镜物镜设计-I-摘要显微镜是人类这个时期最伟大的发明物之一，普通显微镜基本包括物镜和目镜，物镜对于显微镜有着重要意义，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像，因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数，显微镜能够清楚的观察到像都离不开物镜的作用。光学设计中可以用像差理论、ZEMAX优化获得近于真实成像的双胶合透镜。一般的透镜色差、球差、慧差不能同时满足条件，本论文主要是显微镜物镜设计，运用光学设计软件ZEMAX进行数据分析，建立初始参数及模型结构，通过光学设计的基本要求对显微镜物镜进行光线追踪，分析并且优化初始选定的光学镜片的结构模型，然后通过计算进一步的确定优化后的镜片的合理性和可行性，由两个双胶合透镜组合的方法可以有效的消除像差。然后使用ZEMAX光学设计软件验证结论、优化镜头数据，最后使物镜满足设计要求。关键词：物镜；光学设计；显微镜；ZEMAX软件显微镜物镜设计-II-目录摘要.....................................................................................................................................I设计要求....................................................................................................................................1第一章绪论..........................................................................................................................1第二章双胶合显微镜物镜手工计算....................................................................................42.1双胶合显微镜物镜的推导公式.........................................................................................42.2光线追迹求解系统焦距f及后焦距值BFL......................................................................42.3系统焦距求解......................................................................................................................7第三章ZEMAX简介.............................................................................................................7第四章ZEMAX验证初始参数及优化..................................................................................84.1初始结构参数、图像和数据.............................................................................................84.1.1初始结构参数................................................................................................................84.1.2初始结构图.......................................................................................................................94.1.3初始点阵图....................................................................................................................104.1.4初始传递函数................................................................................................................104.1.5初始系统数据................................................................................................................114.2通过ZEMAX进行透镜组合的优化.................................................................................114.2.1优化后镜头参数..............................................................................................................114.2.2优化后结构图..................................................................................................................124.2.3优化后点阵图..................................................................................................................124.2.4优化后传递函数..............................................................................................................134.2.5优化后数据分析..............................................................................................................13结论..................................................................................................................................14参考文献..................................................................................................................................14致谢..................................................................................................................................15显微镜物镜设计–1–设计要求：设计要求：采用两组双胶合结构，放大倍率：10倍，通光口径D：8mm半视场高度：13.5mm，设计波长：0.486um、0.587um、0.656um计算：系统焦距f，D/f，后焦距（BFL）第一章绪论（一）显微镜及物镜简介：显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分光学显微镜和电子显微镜:光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。其中对显微镜研制，微生物学有巨大贡献的人为列文虎克，荷兰籍。物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。物镜可以有一下四种分类方式：1．按色差校正程度分类a.消色差物镜:这是常见的物镜，外壳上常有Ach字样，这类物镜仅能校正轴上点的位置色差(红、蓝二色)和球差(黄绿光)以及消除近轴点慧差；不能校正其它色光的色差和球差，且场曲很大。b.复消色差物镜：标有APO字样，是观察和显微照相用的一流物镜，它们的性能只受物理定律的限制。该物镜具有优良的修正性和极其高的数值孔径，所以在观察和显微照相术方面具有最大的分辨率、色彩纯度、对比度以及图象平直度。如奥林巴司UPLANSAPO100X/1.40OIL物镜。c.半复消色差物镜：半复消色差物镜又称氟石物镜，物镜的外壳上标有FL字样，在结构上透镜的数目比消色差物镜多，比负消色差物镜少，成象质量上，远较消色差物镜为好，接近于复消色差物镜。d.特种物镜：所谓特种物镜是在上述物镜的基础上，专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的。2.按功能分类a.相差物镜（PhaseContrastobjective）：一般带有“PH”标志，字体用绿色。这种物镜是相差（相衬）镜检术的专用物镜，其特点是在物镜的后焦平面处装有相位板。显微镜物镜设计–2–用来观察无色透明的标本或活细胞，倒置显微镜上使用广泛。b.DIC物镜：一般要求半复消色差或复消色差物镜，用于DIC镜检观察无色样品或细胞，图像呈现立体感。c.HMC物镜：标有“HMC”标志，一种类似于相差物镜的物镜。观察效果有立体感。用于霍夫曼观察，但不能用于荧光观察。d.偏光物镜：一般标有“POL”字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光观察的物镜。e.荧光物镜：这种物镜的荧光透过率非常高，物镜用于对离子位移进行定性和定量的分析以及用于特别关键的荧光技术（如人类染色体的研究以及细胞遗传学）。这类物镜的突出特点是它们对340nm起的波长有特别高的数值孔径和高传输率（340nm时约为70%！）。视场平直足可以使用CCD照相。f.TIRF专用物镜：要求数值孔径大，NA一般为1.45~1.65。如尼康公司的APOTIRF60×/100×1.49物镜。h.多功能物镜：有的厂家生产一些多功能物镜，可以同时做相差、DIC、荧光等观察。例如奥林巴斯的UPLANFLN（万能平场半复消色差）物镜和蔡司的ECPLAN–NEOFLUAR（高衬度平场新荧光）系列物镜。显微镜系统的物镜是整个光学系统的将光线收入到系统内部的元件，物镜的好坏必定直接影响到真个显微镜的质量，所以确保物镜的性能和保证物镜光学特性是非常重要的。（二）光学系统设计1一个光学设计步骤基本上可以由一下四步来实现：（1）确定设计的目标和考虑实际设计参数，通过一定的理论计算的方法确定整套光学系统的设计方案。然后通过光学追记的方法对光学系统进行初步的光线追记。（2）确定好要设计的光学系统的结构，通过查询资料或者手工计算的方式去选择设计的初始结构。（3）运用ZEMAX软件设定评价