带校正环的物镜光学设计

陈新锦

摘要： 利用软件Zemax设计一款可用于盖玻片校正的显微物镜，该物镜采用逆向光路设计，无限远校正系统，其放大倍数为40×，可见光波段，数值孔径为0.6，校正的盖玻片厚度范围为0～1.5 mm，管镜配合能满足Ф20 mm视场。从镜头专利库ZEBASE中选择合适的镜头作为初始结构，通过设定合理的优化函数优化该镜头，对最后的结果进行成像指标分析，该款物镜能满足使用要求。

关键词： 光学设计； 盖玻片校正； 无限远校正系统

中图分类号： TH742 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.008

文章编号： 1005-5630（2016）03-0233-05

Abstract： 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.

Keywords： optical design； coverslip correct； infinity-corrected system

引 言

由于盖玻片的制造误差使其厚度不一，而高数值孔径的显微物镜对盖玻片厚度要求较高，因此导致成像质量下降，对应的性能下降数值[1]如表1所示。另外由于所观察标本覆盖的盖玻片厚度规格不同（例如应用在工业观察导电粒子时，玻璃盖板厚度不均），就需要更换不同规格的物镜使用，会造成客户生产成本的增加和管理的混乱。所以基于上述的需求出发，本文设计一款带校正环的物镜，在物镜的中部装有环状的调节环，当转动调节环时，可调节物镜内透镜组之间的距离，从而校正由盖玻片厚度不标准引起的像差。

1 设计参数

四大品牌（Zeiss/Leica/Olympus/Nikon）对应的物镜参数如表2所示，综合考虑客户的需求和市场定位，设定此设计目标为：数值孔径为0.6，最大工作距离为3.3 mm，焦距为4.5 mm（与焦距为180 mm的管镜配合），校正的盖玻片厚度范围为0～1.5 mm，满足Ф20 mm视场。

2 光学设计

2.1 初始结构的选择

对于光学设计者来说，最好最快的方法是直接从专利中选取一个适当的结构作为初始结构[2]。选择初始结构的原则是数值孔径和视场与设计的要求相当[3]，通过对主要的参数指标分析计算，然后从镜头专利库ZEBASE中选择一个NA=0.65的40倍镜头作为初始结构。

2.2 设计思路

此物镜属于高倍物镜，相对孔径较大，那么在系统像差校正时困难较大，若在系统的前部放一齐明透镜，则对轴上点不引进像差，这样大大减少了后面系统的孔径角负担，系统的残余像差不大[4]。

为不失一般性，设前组为一弯月透镜，如图1所示，其玻璃折射率为n。

由以上关系式就可以求出所要求的前组结构[5]。

不同于其它固定间隔的光学系统，此光学系统需要通过调节透镜组之间的间隔来校正由盖玻片厚度不标准引起的像差，所以在设计中要选定一透镜组为动组来平衡像差，并且需要控制该透镜组前后的距离总和保持不变。该系统跟变焦系统类似，也是靠改变间隔来校正平衡像差，不同的是此系统的焦距不变。

为了便于像差校正，在显微物镜设计中按反向光路计算[6]。

2.3 优化过程

显微镜物镜属于大孔径、小视场的小像差系统，必须校正好球差、彗差和色差[3]。在优化函数中设定合理的操作数进行优化。

（1） 因为有多个结构所以要设置多重结构进行优化，在多个结构中有侧重点，考虑到实际用途，在此设置1.1 mm厚的盖玻片为主要结构进行优化，同时兼顾0和1.5 mm，为了让曲线平滑，可以设置多个结构，每个结构之间变化较少。

（2） 选择系统默认的优化函数，优化参考值选择像质评价指标的均方根值，使用波像差及像质指标的零点在质心。在选项中填写合适的空气间隔和玻璃约束条件进行优化。

（3） 用操作数EFFL控制主波长的有效焦距为4.5 mm，用操作数RAID设定最后一面的入射角度来控制NA，用操作数TTHI控制距离。

（4） 将操作数STOP光阑面的位置设为变量进行优化。

（5） 用操作数LONA控制球差，用操作数TRAY控制彗差。

（6） 用操作数LACL和AXCL控制色差（在这里保留一定倍率色差和管镜配合）。

（7） 从玻璃厂商OHARA的材料库中选取合适的透镜材料进行优化。