带校正环的物镜光学设计

陈新锦

(麦克奥迪实业集团有限公司,福建 厦门　361006)



带校正环的物镜光学设计

陈新锦

(麦克奥迪实业集团有限公司,福建 厦门361006)

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。

光学设计; 盖玻片校正; 无限远校正系统

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。

表1　盖玻片厚度变化的性能下降

表2　四大品牌物镜参数

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

图1　齐明透镜

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。

设前组透镜第二面符合齐明条件,其角放大率γ为

(1)

由阿贝不变量公式

(2)

由此求出第一面曲率半径

(3)

要求第二面满足齐明条件,则

(4)

由此得到第二面的曲率半径

(5)

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。

应用Zemax对透镜进行自动优化时分成三个阶段来进行。

第一阶段先校正基本像差,如球差、彗差、色差和场曲。要根据系统所有面的赛得系数贡献大小进行调整,使得每个面的像差贡献均匀。第二阶段校正高级像差,完成初级像差校正之后,分析系统的像差找出最重要的高级像差,再对其校正,只有在基本的像差得到校正的前提下,校正高级像差才有意义。第三阶段像差平衡,在校正完各高级像差之后,如果高级像差和初级像差不能平衡就会对像质产生影响,所以要根据系统的全视场和全孔径的像差分布规律,改变各个操作数的权重,重新进行像差校正和平衡。

2　设计结果

利用Zemax软件对初始结构进行仿真设计和优化,其优化后的光学系统如图2所示。该系统的详细参数见表3所示。

图2　两种不同盖玻片的光学系统图

表面半径/mm厚度/mm玻璃直径/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(盖玻片)2Image0.5

3　结果分析

因为该物镜的光学系统属于小像差光学系统,所以要挑选合适的光学系统成像质量的评价方法,这里采用瑞利判断、中心点亮度及光学传递函数来评价成像质量。瑞利判断是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统的成像质量的,实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过λ/4时,此波面可看作是无缺陷的。而中心点亮度是依据光学系统存在像差时,其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的成像质量的,此比值用S.D来表示,当S.D≥0.8时,认为光学系统的成像质量是完善的。光学传递函数是反映物体不同频率成分的传递能力,高频部分反映物体的细节传递情况,中频部分反映物体的层次传递情况,而低频部分则反映物体的轮廓传递情况[3]。

图3～5分别为两种不同盖玻片的像差图，中心点亮图、MTF图。从图3中可以看出最大的波像差不超过λ/4,此波面是无缺陷的。从图4中可以看出所有视场的S.D>0.8,所以系统的成像质量是完善的。从图5中可以看出系统的MTF在高频、中频及低频都有较高的值,能很好的反映物体的细节和层次以及轮廓情况。

图3　两种不同盖玻片的波像差图

图4　两种不同盖玻片的中心点亮度图

图5　两种不同盖玻片的MTF

4　结　论

本文设计了一款可校正盖玻片厚度的显微物镜,并给出了该系统的详细参数和系统的成像质量图形。在Zemax中使用合适的优化函数对像差进行校正,较好地消除了影响成像质量的像差,使得该系统能获得较好的成像质量和较高的分辨率。

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

[2]洪坚.3.2～8 mm百万像素变焦安防镜头设计[J].光学仪器,2014,36(2):131-135.

[3]金逢溪,金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法[J].光学仪器,2004,26(1):34-38.

[4]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2010:170-173.

[5]徐金镛,孙培家.光学设计[M].北京:国防工业出版社,1989:250.

[6]毕卫红,许睿,付广伟.40倍长工作距离PC熔接系统显微物镜设计[J].光学工程,2013,40(1):44-50.

(编辑:张磊)

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

陈新锦(1979—),男,工程师,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:gjscxj@163.com

1005-5630( 2016) 03-0233-05

TH742

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.008