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Zemax光学设计实例（106）---一个40X平场复消色差显微物镜的设计

2021-12-20 10:58| 发布者：Davis| 查看：1223| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax进行光学设计的一个实例，设计的是一个40X平场复消色差显微物镜并使用了特殊色散光学玻璃。文章详细介绍了物镜的设计流程和优化过程，并展示了设计结果的各项指标。

导论：

（1）平场特性

由三级像差理论，薄透镜组的像场弯曲系数

上式中，φ_i和n_i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：

（a）平场：物镜的佩茨瓦尔半径非常大，像场几乎完全是平的。

（b）长工作距。

（c）大视场。

（2）复消色差

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。

（3）特殊色散光学玻璃的选择与应用

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ΔP_g,F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ΔP_g,F（表中为dPgF）。

对于高色散火石类玻璃，当ΔP_g,F＜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ΔP_g,F＞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光学玻璃。

设计流程：

一、40X平场复消色差显微物镜

波段/um	M	f`/mm	2y`/mm	2y/mm	NA	ST/mm	WD/mm	R_Petz/mm	ρ
VIS	-40	4.65	0.62	25.0	0.55	21.6	3.3	-319	2.3

ST为系统长度，WD为工作距离，R_Petz为佩茨瓦尔半径。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“4.57”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Object Height”，y=12.5mm，如下图：

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)，如下图：

LDE的参数，如下图：

该显微物镜由7组9片透镜构成，包括2片厚的弯月透镜，并选择使用了PK51、N-FK56、PSK58等特种玻璃。

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195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；

EFFL AND POWER模块：

用于控制焦距和放大率；

OBJ AND IMA HEIGHT模块：

REAR用于监控物高和像高；

DT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 CENTERSAND 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：

该显微物镜的佩茨瓦尔半径非常大（319.3mm）,清晰度比率ρ约为2.3，像场几乎完全是平的。

清晰度比率ρ的计算公式如下：

上式中，可以在ZEMAX的MFE中直接计算出佩茨瓦尔半径。

并且，该显微物镜的工作距（WD）达到3.3mm，为相同倍率普通消色差显微物镜的5倍以上。

查看点列图，如下图：

该显微物镜三个视场的RMS半径几乎为1DL，全视场清晰度一致。

查看畸变，如下图：

查看球差-色差曲线，如下图：

上图中，三色光的轴向弥散范围Δz≈0.0047mm，这是因为该显微物镜第6、第8片玻璃采用了N-FK56，其光学性能与CAF2非常接近；第4、第7片透镜采用特种玻璃PK51和N-PSK58，在可见光波段，各色光的弥散斑接近重合，达到了复消色差的效果。

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