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Zemax光学设计实例（104）---一个10X 李斯特型消色差显微物镜的设计

2021-12-20 10:19| 发布者：Davis| 查看：4277| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax光学设计软件设计一个10X 李斯特型消色差显微物镜，由双胶合构成，校正了球差、色差和近轴彗差，但存在视场边缘畸变和轴外像差的问题。同时，也探讨了扩大清晰度范围和提高全视场像质的两条技术路线。

引言：

常规的生物显微镜使用的是10X、40X和100X的消色差显微物镜。这类显微物镜轴上球差、色差和近轴彗差（又称OSC）校正得很好，但随着视场加大弥散斑非线性的增大，清晰范围只占全视场的30%～50%。由于成本低，这类显微物镜一直在大批量生产，在学校、生物实验室、工厂等场合广泛使用。

李斯特型消色差显微物镜，它有两组双胶合构成，两组双胶合分别校正球差、色差和近轴彗差，合成后再略作优化，轴上像差可以校正得很好，但有较大的轴外像差，特别是系统由两组正光焦度的双胶合构成，根据三级像差理论，像面弯曲较大，清晰成像的范围较小，这是消色差物镜的普遍问题。

设计指标：

设计一个10X 李斯特型消色差显微物镜，由双胶合构成。

波段/um	M	f`/mm	2y`/mm	2y/mm	NA	ST/mm	WD/mm	R_Petz/mm	ρ
VIS	-10	15.6	1.52	15.2	0.24	28.4	7.64	-15.2	0.47

ST为系统长度，WD为工作距离，R_Petz为佩茨瓦尔半径，ρ为清晰度比率。

当共轭距为195mm时，放大率规定为像高与物高的比。由于设计物镜时为“反追”，目镜焦面上视场光阑的半径称为“物高”，记为y；物镜观察的标本平面的视场的一半称为“像高”，记为y`。

在无限共轭距的情况下，放大率则规定为：

f`为物镜的焦距，相当于用一个250mm焦距的辅助物镜对平行光成像。

这个显微物镜的清晰度范围不大，指的是观察者对视场中心精确对焦时，视场边缘甚至0.5视场、0.7视场的弥散斑已经变大，标本的细节变得模糊，或者说该物镜的视场不平（视场是弯曲的，近似一个球面）。

在三级像差理论中，可以用佩茨瓦尔（Petzval）半径R_Petz来表征像面弯曲。

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“7.5(≈f`*2*NA)”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Real Image Height”，如下图：

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)，如下图：

LDE的初始结构，如下图：

这是老一代的显微镜，共轭距为185mm，相应物镜长度为35mm。（由于长工作距、平场和复消色差的要求，物镜越来越复杂，就将物镜长度增加到45mm，共轭距相应改为195mm。）

李斯特显微物镜的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，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。

第7面是盖玻片，厚度为0.17mm，通常使用SCHOTT的K4和K5，或CDGM的H-K51，盖玻片在光路中参与成像。

按F6打开MFE，分别添加以下操作数：

NA模块，用于监视数值孔径的大小：

RANG，监视第8面1视场的光线与光轴的夹角（弧度值）；

SINE，计算正弦值。

CONJUGATE模块：

TTHI，控制共轭距，目标值185并给权0.02。

VL模块：

TTHI和OPLT用于控制物镜长度。

IMAGE DISTANCE模块：

CTGT，用于控制工作距离；

OBJ AND IMA HEIGHT模块：

REAR用于监控物高和像高；

M模块：

DIVI，用于控制放大率；

DIMX模块：

DIMX，用于控制最大视场的畸变，目标值2%并给权0.1；

PETZVAL RADIUS模块：

PETZ，用于监视佩茨瓦尔（Petzval）半径R_Petz；

BOUDING FOR THE THICKNESS OF CENTERS AND EDGES模块，用于控制各个透镜组的中心、边缘与间隔厚度。

将lens的曲率与厚度都设置为变量，然后优化。

查看2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看畸变，如下图：

查看球差-色差曲线，如下图：

从上图看出，轴向的最大弥散Δz=0.062mm，并且有较大的轴外像差。

这个显微物镜的ρ为0.47，即视场中心约50%的视场是清晰的。

扩大清晰度的范围，提高全视场的像质，有两条技术路线，第一条是物镜结构复杂化，第二条是采用特种玻璃材料，或者是二者的结合。

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