ZEMAX光学设计实例（105）---目镜与显微物镜的续接（160X显微镜系统）

导论：

目镜不能独立工作，总是和显微物镜或望远物镜结合工作。

上图是16X艾尔弗目镜和10X李斯特显微物镜构成的160X显微镜系统的示意图。

物镜光阑就是系统的孔径光阑，一般位于物镜后部，它通过目镜反向成像，形成系统的入瞳。

目镜的后焦面与物镜的像面重合，标本首先经由物镜放大10倍于目镜焦面上，通过目镜再放大16倍形成虚像。目镜焦面上通常还有一个视场光阑，限定了目镜视场的同时，也限制了物镜视场大小。

常规显微镜目镜像面直径为15～20mm，对应的标本视场直径为1.5～2.0mm。

通常还会用一个半五角棱镜（half-penta prism）使目镜呈45°倾斜，以便观察。

设计指标：

16X艾尔弗目镜和10X李斯特显微物镜的技术指标如下表：

光阑在物镜第一面。注意物镜的像面直径2y`和目镜的后焦面Φ一致。一般选择原则是，目镜的后焦面直径应大于或等于物镜像面直径，即Φ≥2y`，也就是说，选择原则是以物镜为主，必要时更换目镜。

设计流程：

（1） 调出10X李斯特显微物镜的数据

LDE如下图：

（2） 修订孔径和视场

孔径类型需改为“Image Space F/#”，并设置为2.08。

“Field Type”改为“Paraxial Image Height”，最大视场为0.9mm，0.7视场为0.63mm，如下图：

（3） 添加16X艾尔弗目镜

将16X艾尔弗目镜的LDE数据复制到10X李斯特显微物镜之前，并令T0=inf。

此时的LDE，如下图：

在ZEMAX中，有一个Ray Aiming（光线瞄准）的功能，一般是off状态，在长系统中，可以令Ray aiming=Paraxial或Real，就可以保证经过入瞳的主光线从光阑中心通过，避免光线溢出。

此时，在这个系统中实际存在两套成像系统：一套为无限远的光束通过入瞳、目镜、光阑和物镜成像在标本上，物镜和目镜分别独立校正了像差；另一套是光阑成像，即物镜上的光阑反向通过目镜形成入瞳，这个成像过程并没有进行优化，可能存在像差，称为“光阑像差”，也就是说，通过入瞳的光束并未完整地通过真正的光阑。

由若干个部件构成的较长系统，或主光线角度很大的广角系统，光阑像差往往影响设计，在非常精密的系统设计中，优化像差系统时要兼顾光阑像差。

（4） 160X显微镜系统的初始结构

经过以上的操作，就可以得到160X显微镜系统的初始结构。

2D Layout：

这样，目镜和显微物镜的续接可以初步得到一个比较正确的显微镜系统了。

此时，入瞳距Lp≈10.8mm，与原目镜参数不同（11.6mm），这是因为物镜的光阑（也就是系统光阑）经过目镜的像和目镜原来的入瞳位置不一致。

入瞳直径计算如下：

上式中，NA为物镜的数值孔径，即u`；β为物镜倍率；f`_E为目镜焦距。

此时的点列图，如下图:

从点列图看出，目镜和物镜的简单合成对最终弥散斑大小的影响比较小。

查看畸变，如下图：

系统的畸变DT约为-1.2%，并不太大。畸变是由目镜和物镜共同决定。

一般而言，显微物镜为小视场成像系统，畸变并不大，系统的畸变主要由目镜贡献。

由于显微镜大都用于观察标本，对畸变要求不高。但是如果显微镜用于测量，那就要选用小畸变的目镜，必要时将目镜和物镜合成后再修改目镜参数来减小畸变。

（5） 加入棱镜等效平板

为了改变光路的方向或“转像”，常常需要加入反射棱镜。

在显微镜系统中，常常加入一个半五角棱镜。棱镜的材料通常为K9，其入射面（靠近目镜的面）为40mm×40mm的正方形，边长D=40mm，棱镜内轴上光线的长度为

在设计时，用一个K9（H-K9L）材料的平板来等效半五角棱镜，它对应空气中的光路长度为

在系统中的合适位置加入厚度为L的平板，相当于空气中的长度L₀。

物镜的T0（=156.552mm）减去L₀的长度，再合理分配到L1和L2中去，如下图所示：

取L1=20mm，则L2=156.552-45.04-20=91.512mm。

此时的LDE，如下图：

第9-11行为新插入的等效平板。

由于光束的孔径小很小，在加入等效平板后像差变化不大。必要时，需要带着棱镜等效平板修正系统的像差。

注意的是，所有的优化尽量在等效平板的情况下完成，因为一些操作在Non-Sequential状态下是不能使用的。

再次查看点列图，如下图：

从上图看出，加入等效平板后，弥散斑大小的变化也很小。

（6） 运用Non-Sequential操作加入棱镜

为了更准确地显示，运用Non-Sequential操作插入半五角棱镜。

1）设置坐标轴：

半五角棱镜的坐标变换，如下图：

原点O位于棱镜第一面的光线入射处，坐标（y,z）=(0,0)；入射面为正方形，边长为D，可以算出出射点A的坐标为

2）在LDE中插入Non-Sequential行

在目镜后插入Non-Sequential行，相关参数设置如下：

Non-Sequential的设置中，引出端口（Draw Ports？）为3，出口x坐标（Exit Loc X）、出口y坐标（ExitLoc Y）、出口z坐标（Exit Loc Z）表示的是A`的坐标，该点位于A近旁棱镜外，即ExitLoc Y略小于y_A，Exit LocZ略大于z_A。

Exit Tilt表示的是棱镜引起坐标轴的旋转。

在Non-Sequential ComponentEditor里设置半五角棱镜的参数，如下图：

Object Type（物体类型）选Polygon（多面体），在“Object Properties”中的“Data File”选择“Half-penta.POB”，如下图：

Scale（缩放尺寸），即入射面尺寸为D/2=20。

查看3D Layout，如下图：

需要说明的是，使用半五角棱镜的显微镜系统所形成的还是倒像，也就是说，使用半五角棱镜虽然使观察方向旋转了45°，但不能补偿显微物镜形成的倒像。