帶校正環的物鏡光學設計

陳新錦

(麥克奧迪實業集團有限公司,福建 廈門　361006)

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帶校正環的物鏡光學設計

陳新錦

(麥克奧迪實業集團有限公司,福建 廈門361006)

利用軟件Zemax設計一款可用于蓋玻片校正的顯微物鏡,該物鏡采用逆向光路設計,無限遠校正系統,其放大倍數為40×,可見光波段,數值孔徑為0.6,校正的蓋玻片厚度范圍為0～1.5 mm,管鏡配合能滿足Ф20 mm視場。從鏡頭專利庫ZEBASE中選擇合適的鏡頭作為初始結構,通過設定合理的優化函數優化該鏡頭,對最后的結果進行成像指標分析,該款物鏡能滿足使用要求。

光學設計; 蓋玻片校正; 無限遠校正系統

引　言

由于蓋玻片的制造誤差使其厚度不一,而高數值孔徑的顯微物鏡對蓋玻片厚度要求較高,因此導致成像質量下降,對應的性能下降數值[1]如表1所示。另外由于所觀察標本覆蓋的蓋玻片厚度規格不同(例如應用在工業觀察導電粒子時,玻璃蓋板厚度不均),就需要更換不同規格的物鏡使用,會造成客戶生產成本的增加和管理的混亂。所以基于上述的需求出發,本文設計一款帶校正環的物鏡,在物鏡的中部裝有環狀的調節環,當轉動調節環時,可調節物鏡內透鏡組之間的距離,從而校正由蓋玻片厚度不標準引起的像差。

1　設計參數

四大品牌(Zeiss/Leica/Olympus/Nikon)對應的物鏡參數如表2所示,綜合考慮客戶的需求和市場定位,設定此設計目標為:數值孔徑為0.6,最大工作距離為3.3 mm,焦距為4.5 mm(與焦距為180 mm的管鏡配合),校正的蓋玻片厚度范圍為0～1.5 mm,滿足Ф20 mm視場。

表1　蓋玻片厚度變化的性能下降

表2　四大品牌物鏡參數

2　光學設計

2.1初始結構的選擇

對于光學設計者來說,最好最快的方法是直接從專利中選取一個適當的結構作為初始結構[2]。選擇初始結構的原則是數值孔徑和視場與設計的要求相當[3],通過對主要的參數指標分析計算,然后從鏡頭專利庫ZEBASE中選擇一個NA=0.65的40倍鏡頭作為初始結構。

2.2設計思路

圖1　齊明透鏡

此物鏡屬于高倍物鏡,相對孔徑較大,那么在系統像差校正時困難較大,若在系統的前部放一齊明透鏡,則對軸上點不引進像差,這樣大大減少了后面系統的孔徑角負擔,系統的殘余像差不大[4]。

為不失一般性,設前組為一彎月透鏡,如圖1所示,其玻璃折射率為n。

設前組透鏡第二面符合齊明條件,其角放大率γ為

(1)

由阿貝不變量公式

(2)

由此求出第一面曲率半徑

(3)

要求第二面滿足齊明條件,則

(4)

由此得到第二面的曲率半徑

(5)

由以上關系式就可以求出所要求的前組結構[5]。

不同于其它固定間隔的光學系統,此光學系統需要通過調節透鏡組之間的間隔來校正由蓋玻片厚度不標準引起的像差,所以在設計中要選定一透鏡組為動組來平衡像差,并且需要控制該透鏡組前后的距離總和保持不變。該系統跟變焦系統類似,也是靠改變間隔來校正平衡像差,不同的是此系統的焦距不變。

為了便于像差校正,在顯微物鏡設計中按反向光路計算[6]。

2.3優化過程

顯微鏡物鏡屬于大孔徑、小視場的小像差系統,必須校正好球差、彗差和色差[3]。在優化函數中設定合理的操作數進行優化。

(1) 因為有多個結構所以要設置多重結構進行優化,在多個結構中有側重點,考慮到實際用途,在此設置1.1 mm厚的蓋玻片為主要結構進行優化,同時兼顧0和1.5 mm,為了讓曲線平滑,可以設置多個結構,每個結構之間變化較少。

(2) 選擇系統默認的優化函數,優化參考值選擇像質評價指標的均方根值,使用波像差及像質指標的零點在質心。在選項中填寫合適的空氣間隔和玻璃約束條件進行優化。

(3) 用操作數EFFL控制主波長的有效焦距為4.5 mm,用操作數RAID設定最后一面的入射角度來控制NA,用操作數TTHI控制距離。

(4) 將操作數STOP光闌面的位置設為變量進行優化。

(5) 用操作數LONA控制球差,用操作數TRAY控制彗差。

(6) 用操作數LACL和AXCL控制色差(在這里保留一定倍率色差和管鏡配合)。

(7) 從玻璃廠商OHARA的材料庫中選取合適的透鏡材料進行優化。

應用Zemax對透鏡進行自動優化時分成三個階段來進行。

第一階段先校正基本像差,如球差、彗差、色差和場曲。要根據系統所有面的賽得系數貢獻大小進行調整,使得每個面的像差貢獻均勻。第二階段校正高級像差,完成初級像差校正之后,分析系統的像差找出最重要的高級像差,再對其校正,只有在基本的像差得到校正的前提下,校正高級像差才有意義。第三階段像差平衡,在校正完各高級像差之后,如果高級像差和初級像差不能平衡就會對像質產生影響,所以要根據系統的全視場和全孔徑的像差分布規律,改變各個操作數的權重,重新進行像差校正和平衡。

2　設計結果

利用Zemax軟件對初始結構進行仿真設計和優化,其優化后的光學系統如圖2所示。該系統的詳細參數見表3所示。

圖2　兩種不同蓋玻片的光學系統圖

表面半徑/mm厚度/mm玻璃直徑/mmObject∞∞∞1-6.2681226.8L-BBH15.82-8.20985528.63-5.9120307.5s-bsm484-9.1523363.3212516.5754833.4S-FPL516-12.9907591.5S-TIH1011Stop11.0750690.5～1.659.6810.7565291.7S-TIM221196.8884114.2S-FPL531110-29.7121451.65～0.5111111.5349252.6S-BSM4101294.3047591.51013-16.2712133S-BSM141014-12.3859160.510154.7612483.5S-PHM527166.0641183.29～2.184.217∞0～1.5N-K5(蓋玻片)2Image0.5

3　結果分析

因為該物鏡的光學系統屬于小像差光學系統,所以要挑選合適的光學系統成像質量的評價方法,這里采用瑞利判斷、中心點亮度及光學傳遞函數來評價成像質量。瑞利判斷是根據成像波面相對理想球面波的變形程度來判斷光學系統的成像質量的,實際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過λ/4時,此波面可看作是無缺陷的。而中心點亮度是依據光學系統存在像差時,其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時衍射斑的中心亮度之比來表示光學系統的成像質量的,此比值用S.D來表示,當S.D≥0.8時,認為光學系統的成像質量是完善的。光學傳遞函數是反映物體不同頻率成分的傳遞能力,高頻部分反映物體的細節傳遞情況,中頻部分反映物體的層次傳遞情況,而低頻部分則反映物體的輪廓傳遞情況[3]。

圖3～5分別為兩種不同蓋玻片的像差圖，中心點亮圖、MTF圖。從圖3中可以看出最大的波像差不超過λ/4,此波面是無缺陷的。從圖4中可以看出所有視場的S.D>0.8,所以系統的成像質量是完善的。從圖5中可以看出系統的MTF在高頻、中頻及低頻都有較高的值,能很好的反映物體的細節和層次以及輪廓情況。

圖3　兩種不同蓋玻片的波像差圖

圖4　兩種不同蓋玻片的中心點亮度圖

圖5　兩種不同蓋玻片的MTF

4　結　論

本文設計了一款可校正蓋玻片厚度的顯微物鏡,并給出了該系統的詳細參數和系統的成像質量圖形。在Zemax中使用合適的優化函數對像差進行校正,較好地消除了影響成像質量的像差,使得該系統能獲得較好的成像質量和較高的分辨率。

[1]FELLERS T J,DAVIDSON M W.Coverslip correction[EB/OL].http://www.microscopyu.com/articles/formulas/formulascoverslipcorrection.html.2010-5-1.

[2]洪堅.3.2～8 mm百萬像素變焦安防鏡頭設計[J].光學儀器,2014,36(2):131-135.

[3]金逢溪,金虎杰.變焦鏡頭結構形式的最佳選擇方法[J].光學儀器,2004,26(1):34-38.

[4]郁道銀,談恒英.工程光學[M].北京:機械工業出版社,2010:170-173.

[5]徐金鏞,孫培家.光學設計[M].北京:國防工業出版社,1989:250.

[6]畢衛紅,許睿,付廣偉.40倍長工作距離PC熔接系統顯微物鏡設計[J].光學工程,2013,40(1):44-50.

(編輯:張磊)

Optical design of objective with correction collar

CHEN Xinjin

(Motic Group Co.,Ltd.,Xiamen 361006,China)

A microscope objective is designed to correct the coverslip by Zemax. The objective is optimized to infinity-corrected system by using the method of inverted optical path with visible wave-band.This objective with numerical aperture of 0.6 and magnification of 40 times can meet the field of Ф20 mm with tube lens. The objective can satisfy the application with coverslip thickness variate from 0 mm to 1.5 mm. The appropriate initial structure can get from lens patents of ZEBASE. The system is optimized by setting reasonable optimization operand. It satisfies requirements.

optical design; coverslip correct; infinity-corrected system

2015-08-31

陳新錦(1979—),男,工程師,主要從事光學設計方面的研究。E-mail:gjscxj@163.com

1005-5630( 2016) 03-0233-05

TH742

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.008