ZEMAX 光学设计实例(106)---一个 40X 平场复消色差显微物镜的设计
导论:
由三级像差理论,薄透镜组的像场弯曲系数
上式中,φi 和 ni 分别为第 i 个薄透镜的光焦度和折射率,由此可见全部由正透镜构成的物镜的场曲系数很大。
为了平场,必须加入负透镜,或加入厚的弯月透镜。
将物镜复杂化,并使用特殊的玻璃材料,可以使物镜具有以下特征:
平场:物镜的佩茨瓦尔半径非常大,像场几乎完全是平的。
长工作距。
大视场。
在长焦距物镜的场合,一般用 F 光和 C 光 0.7 孔径球差曲线的交点与 d 光球差曲线的距离δ作为二级光谱的度量。
但是,在显微物镜的场合,由于大数值孔径,剩余带球差很大,已经达到甚至超过δ,因此只能用弥散斑作为综合性的像质指标。
在复消色差显微物镜中,选择使用特种玻璃,使各色光的弥散斑接近重合,来达到复消色差的效果。同时,还可以把弥散斑半径作为复消色差更准确的判据,弥散斑等于或小于衍射极限为好。
为了达到平场复消色差,所付出的代价就是显微物镜结构的复杂化,加工和装配调试的难度也大大增加。
在相对部分色散 PgF 与阿贝数 v 的关系图上,大部分玻璃基本位于一套直线上,这条直线被称为“正常线”或“基准线”。而偏离这条直线较远的玻璃称为“特殊相对部分色散玻璃”。
目前的复消色差光学系统首先考虑的是消除短波区的二级光谱,所以在特殊材料光学玻璃的发展过程中,也以短波区的色散性能作为主要指标。
特殊色散光学玻璃按光学性质可分为两类:
第一类:高色散(阿贝数小)而短波区相对色散较小的玻璃,属于火石类光学玻璃。如 CDGM 的 TF1~TF6,SCHOTT 的 KZF、KZFS,HOYA 的 ADF 等。
第二类:低色散(阿贝数较大)而短波区相对部分色散较大的玻璃,属于冕牌类光学玻璃。如 CDGM 的 TK1,SCHOTT 的 LgSK,HOYA 的 ADC 等。
根据阿贝公式,两条谱线的相对部分色散和中部色散系数呈近似直线关系,由此可以推算出:
用ΔPgf表示某玻璃偏离正常线的程度,则
注意:在 ZEMAX 的玻璃表中可以查到ΔPgf(表中为 dPgF)。
对于高色散火石类玻璃,当ΔPgf<0,绝对值越大表明短波区的特殊色散性能越优异。
对于低色散光学玻璃,当ΔPgf>0,数值越大表明短波区的特殊色散性能越优异。所有具备平场和复消色差性能的高级显微物镜都至少采用一种或多种特殊色散