消色差显微物镜的设计

Chapter66.1消色差显微物镜的设计设计一个消色差显微物镜，光学特性要求如下：4,0.12NAb×=-=，共轭距190Lmm=。6.1.1求物镜的焦距、物距和像距根据设计要求共轭距为190mm，考虑到透镜组有一定主面间隔，我们取185Lmm=，4b=-代入上式得物距l和像距'l分别为：设计显微物镜时，通常按反向光路进行设计。因为进行系统的像差计算时，物距l是固定的，在修改系统结构时，透镜的主面位置可能发生改变，上面计算出来的物平面到主面的距离随之改变，当按正向光路计算像差时，由于||1b，轴向放大率则更大（2ab=）。因此共轭距和物镜的倍率将产生大的改变，偏离了物镜的光学特性要求。如果按反向光路计算，对应的垂轴放大率||1b，轴向放大率则更小，这样就能使共轭距和倍率变化很小。反向光路对系统的光学特性要求为：6.1.2原始系统结构参数的初级像差求解（1）根据像差要求，求出P,W,C由于显微镜的物镜和目镜都要互换使用，因此设计显微镜的物镜和目镜时，一般都不考虑它们之间像差的相互补偿，而采取分别独立校正，所以要求物镜的球差，正弦2'(1)fLbb-=-2(4)'18529.6[1(4)]fmm--=×=--11'(1)29.6(1)374lfmmb=--=-×+=-'4(37)148llmmb==-×-=g10.12148,'37,0.25,sin0.0344lmmlUb=-===-==---差和轴向色差都等于零，即要求0CSSSΙΙΙΙ===根据薄透镜系统的初级相差公式，对单个薄透镜系统有0ShPΙ==0zShPJWΙΙ=-=20CShCΙ==由以上3个方程式很容易看到P,W,C的解为：0PWC===（2）将P,W,C归化成_________,,PWC∞∞首先对hj进行归化，由于0PWC===，因此_________0PWC===。由于物平面位在有限距离，还要将______,PW对物平面位置进行归化，根据_______________211(41)(52)PPuWum∞=--++_________1(2)WWum∞=-+其中___1u为将_________10,0,0.2,0.7PWum===-=代入得到______0.056,0.54PW∞∞==（3）求0P，根据0P，___C查表选玻璃根据______200.85(0.15)0.0733PPW∞∞=--=-根据___0C=和00.0733P=-查附表2选玻璃，对显微物镜，在反向光路的情形，一般去冕玻璃在前。得到最优玻璃组合：17:1.5688BaKn=56n=23:1.7172ZFn=29.5n=_________32,,'()()PWPWCCfhhjj===⋅___11'29.6()/()0.2'148uhhfuhlflj=====--根据插值法得到：000.11,4.3PQ=-=-（4）求半径求得曲率：按焦距'29.6fmm=缩放半径得到：整个物镜的参数为：148,10,sin0.03,0zlyUl=-=-=-=。6.1.3原始系统参数输入及像质评价在GeneralLensData中，输入入瞳直径为20，采用中国玻璃库。视场选择0、0.021、0.03三个视场，波长选择“SelectF，d，C”。由6.1.2小节计算可知，原始系统的参数输入如下：329.634.06210.869rmm==--229.612.22642.421rmm==--129.622.87481.294rmm==2322111.1132.4210.86910.7172rrnj-=-=--=--1112112.1132.4211.29410.5688rnrj=+=-=-___1212111()/()2.113Cjnnn=--=2111.113jj=-=-___00.154.30.2344.5341.67WQQ∞-=-=--=-1212.1134.5342.421Qrj=+=-=-物距为148mm，由于透镜厚度未知，可将双胶合物镜的正透镜设为边缘厚度0.1自动求解，即加注后标E，如上图所示。输入各表面结构参数以及玻璃材料之后，得到光学系统的二维结构图，点列图如下所示：此时系统的焦距为EFFL:30.8602，从图中可看出，系统成像质量较差，需要优化。6.1.4利用ZEMAX做像差优化设计下面利用ZEMAX的自动优化功能做像差优化设计，自变量选择所有的半径。评价函数采用DefaultMeritFunction中默认的操作数，加入的操作数有焦距EFFL，将目标值Targets设为29.6，权重Weight设为1。轴向放大率PMAG，目标值为0.25，权重也为1。由于要保证物镜的共轭距离185，因此加入控制系统长度的操作数TOTR，此操作数代表系统第一表面到像面距离，由于物距已固定为148mm，因此将TOTR目标值设为190-148=42mm，权重也设为1。此外，要控制物镜的色差，加入操作数AXCL，值设为0，权重为1。然后使用Optimization自动优化，得到数据如下：优化后系统的二维结构图和点列图如下：从图中可看出系统点列图的均方根半径已经有所改善，但是几个操作数实际值距目标值还有一定距离，需要继续优化改进。