中倍平场显微物镜设计.docx
- 文档编号:7125028
- 上传时间:2023-01-20
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:341.04KB
中倍平场显微物镜设计.docx
《中倍平场显微物镜设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中倍平场显微物镜设计.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
中倍平场显微物镜设计
中倍平场显微物镜设计
(
,
,
,
)
一、设计原则
为有效控制物像共轭距离,显微镜物镜需倒追光线!
推导:
若正追光线,则
,改变系统间隔及透镜厚度不易控制像面位置,对共轭距的控制不利,因此设计时需采用倒追光线的方法!
二、参数设定
数值孔径输入:
波段输入:
D、F、C光,即普通白光入射
视场输入:
物在有限距离,输入线视场(单位:
mm),物像颠倒,故
三、设计理念
系统总偏角为0.416,消色差双胶合物镜负担偏角最大0.15,单透镜负担偏角最大0.2,因此系统中采用2个双胶合和1个单透镜。
为校正场曲并负担一定的正偏角,单透镜采用一定正光焦度的弯月形厚透镜。
同时,为适当增大后工作距,将双胶合分为正负透镜形式,负透镜置后。
四、设计过程(优化)
经PW法计算推导,得到最终镜头数据如表1所示:
表1初始数据
Surface
r/mm
d/mm
材料
Object
165.358
1
-6.823
0.95
ZF7
2
-11.015
2.7
3
25.29
1.96
ZK3
4
-17.022
7.5
Stop
7.4
6
11.722
2.38
ZK9
7
-6.546
1.19
ZF7
8
-22.91
0.32
9
3.597
4.08
ZBaF3
10
2.63
1
11
0.17
K9
12
0.276789
M
Image
物方数值孔径(ObjectSpaceNA):
0.016
选择3个线视场:
0、8.84mm、12.5mm
物距:
165.358mm
注意:
A.如果物距默认为无穷的话,此时输入数值孔径,系统将提示错误信息,因此需首先给定物距;
B.输入距离不能为负值,优化过程中也应注意此项。
负值的d只能出现在反射式系统中;
C.键盘上的“Insert”键是在“Lensdataeditor”中插入面,“Delete”为删除面,修改数据时,按“Backspace”退格键,不要按“Delete”删除;
D.在输入玻璃牌号的时候,注意区分ZF和ZK,经常有同学因搞混而导致数据错误;
E.在进行系统优化时,不要选择改变盖玻片半径、厚度、后工作距和光阑半径作为变量!
(1)将表1输入至ZEMAX中,得到点列图和MTF曲线如图2和图3所示:
(本教程使用ZEMAX2008版)
图2初始数据的点列图
图3初始数据的MTF数据
(2)设定默认优化函数
选择工具栏Editors→MeritFunction→Tools→DefaultMeritFunction,在该选项框中选择RMS,SpotRadius,Centroid,其它项默认即可,选择OK。
为避免焦距变化过大,将其确定为初始值,即设定有效焦距EFFL为6.9(选择第2波长)。
(见附件-初始结构)
(3)优化过程
查看工具栏Analysis→AberrationCoefficients→SeidelDiagram(或SeidelCoeffients),比较直观地观察系统各表面对各种像差的影响,鉴于显微物镜主要校正轴上点球差、色差和正弦差,因此可以选择红颜色的SphericalAberration作为主要观测对象。
经观察发现,第1、3、4、7、8这几个表面对球差影响较大,因此可以尝试这几个半径组合作为变量,每次优化在之前基础上增加两三个半径作为变量,不要一次增加太多变量,否则效果不一定好。
Ctrl+Z是设定变量的快捷方式。
在优化效果不好时,不要盲目继续甚至保存,而要按F3键返回,否则有可能因错误选择优化方向而钻入“死胡同”!
最好的方法是,每次有效的优化都另存为一个文件,文件名可按照自己的习惯选择具有“标志性”的名称,这样方便以后回顾自己的设计过程或调用相关优化记录。
A)通过查看SeidelDiagram,首次选择r3,r4,r7半径作为变量,点击“OPT”进行自动优化(结果见附件-1优化半径347),点列图减小,MTF曲线变化不大,注意MeritFunction理想值应为0;
B)继续选择变量r1,r8,r10半径作为变量,自动优化(结果见附件-2优化半径1810);此时,像距已变为0.05mm左右;
C)为防止像距过大波动,将其固定为0.1mm,取消像距位置的“MarginalRayHeight”选项,继续优化(结果见附件-3固定像距);
D)继续选择变量r2,r6半径作为变量,自动优化(结果见附件-4优化半径26);
E)继续选择变量r9半径作为变量,自动优化(结果见附件-5优化半径9);
F)至此,所有能选做变量的半径都已选择,下一步即化透镜间隔或空气厚度d,首选光阑前后半径d4,d5作为变量,同时在“MeritFunctionEditor”中输入“TOTR”操作数,目标值为29.642(195mm-165.358mm=29.642mm),以确保在优化过程中的物像共轭距,权重“weight”设定位1,然后进行OPT自动优化(结果见附件-6优化光阑位置45);
G)尝试其它距离或厚度作为变量,选择第一、二透镜间距,即d2作为变量,在“OPT”中选中“AutoUpdate”复选框,然后进行自动优化,实时观察MTF曲线的变化及透镜外形的合理性,在合适的位置选择“Terminate”终止优化过程(结果见附件-7优化第1、2透镜间距d2),数据见表2;
表2自动优化终止时的透镜数据
H)选择第1个透镜厚度d1作为变量进行自动优化,(结果见附件-8优化第1透镜厚度d1),此时观察MTF曲线,如图4所示:
图4MTF曲线
镜头的外形结构图如图5所示:
图5镜头的外形结构图
此时,像质虽已足够好,但要注意到,实际系统的垂轴放大倍率并没有达到25倍,或者说在设计显微物镜之初,系统要求的物方数值孔径并没有达到0.4,详见表3。
表3点击快捷方式Pre显示出的系统相关参数
由表看出,ImageSpaceNA只有0.366996(由于是倒追光线,所以我们此时观察的是像方数值孔径)。
怎样增加物方数值孔径呢?
适当减小焦距,再进行系统优化,直到像质满足要求为止!
因为减小焦距,可适当增强系统对于光线的偏折能力,从而提高“像方”数值孔径,增大放大倍率。
I)将优化函数中的EFFL有效焦距操作数由6.9更改至6.1(可试验进行),除去厚度变量保留半径变量后,选择自动优化(结果见附件-9将系统焦距设为6.1后优化),像质变糟,见图6。
图6更改焦距后优化半径结果
J)为便于控制厚度不为负值,可以重新选择“DefaultMeritFunction”,选中“Glass”和“Air”,将其最小值设为0.1,最大值可默认不变,输入“Startat4”,表示在优化函数的第四行开始优化,确定后开始自动优化(结果见附件-10重新设定优化函数后优化),传递函数曲线及外形结构图见图7和图8:
图7MTF曲线改善图8外形结构图合理
K)经分析和试验,选择厚度1,2,4作为变量,自动优化(结果见附件-11设定厚度124为变量优化)
L)将厚透镜厚度d9作为变量,自动优化(结果见附件-12设定厚度9为变量优化)
M)尝试其它厚度变量,优化后均没有较好的校正效果。
由显微物镜分辨率公式,知
,计算MTF特征频率:
,人眼对比度阈为0.02~0.03,由图9可以看出,各视场MTF值在特征频率处均大于0.03,各视场曲线下降平滑缓慢,像质较好,衍射极限在此处值为0.45左右,相差不大。
图9特征频率为1361时的MTF曲线
经观察,最大线视场的子午传递函数曲线下降相对比较严重,因此可适当增加操作数进行最后的控制,使用MTFT(子午传函曲线)操作数,令其在MTF曲线下降相对较严重处附近即544lp/mm处的目标值为0.5。
同时,在特征频率处,提高0视场的MTF值,在优化函数中输入MTFA,频率设定在1361lp/mm处,目标值为0.1,权重设为5,自动优化(结果见附件-13系统最后优化)。
图10是设定MTF操作数后的优化结果,可以看出传函曲线较之前有所改善,但没有本质的变化,因此只能作为最后过程使用。
此步设定传函值的优化方式只适用于系统优化的最后过程,切忌在自动优化之初就使用,否则将得不到好的结果!
图10设定MTF操作数后的优化结果
N)参数规划
为便于加工,需将所设计镜头的半径、厚度等参数进行规化,使之与加工工厂模板相一致。
作为光学设计实验,选用ZEMAX默认样板数据。
首先进行半径数据规化:
点击Tools→Testplates→TestPlateFitting→OK,系统自动运行参数规划过程(结果见附件-14半径参数规划)。
优化过程发现,如果保留MTF操作数,系统将进入死循环,原因可能是系统在套样板过程中无法满足较高的像质要求,因此去除M)步骤加入的两个新操作数(实际上相当于又回到了L步骤的结果)。
系统经过短时间计算后,得到图11所示的透镜数据和图12所示的MTF曲线,可以看出,系统像质变化不大。
并且,计算完成后,系统自动弹出“TestViewer”半径匹配表格数据。
现在,在特征频率处传递函数值最低的0视场的MTF函数值为0.053,仍大于0.03.,满足像质要求。
若加工工厂所用样板数据与ZEMAX默认样板数据不一致,应以实际加工工厂样板为准。
半径规化过程中,首选对像质较敏感半径进行规化,使之与最接近的样板数据一致,然后使其它半径为变量进行优化,以保障设定的优化函数不变,以此类推。
图11半径数据规化后透镜数据
图12半径数据规化后像质变换不大
O)进行厚度参数的数据规划
为降低加工误差,每个厚度值均保留小数点后一位小数,规化顺序则应由厚度对像差的敏感情况决定。
即先规化较敏感的厚度值,再规化相对不灵敏的厚度值。
一般来讲,数值较小的厚度较为灵敏,但也没有绝对规律而言,因此需要尝试进行(厚度规划后结果见附件-15厚度参数规划)。
图13是厚度规化后的传递函数曲线,从图中看出,半径及厚度规化后,像质劣化,尤其是最大视场的子午传递函数曲线在高频处下降较快,但这是数据规化的必然结果。
但各视场的传函曲线在高频信息处,与衍射极限均十分靠近,在中低频处,各曲线下降趋势缓慢,具有较好的对比度传递效果。
观察在特征频率处最低的0视场MTF值为0.04,仍大于0.03,像质满足使用要求。
图13厚度规化后的MTF曲线
图14至图16分别为系统的点列图、畸变像差曲线和最后的系统结构图。
图17和图18是系统模拟的物像平面的成像情况。
图14系统点列图
图15系统相对畸变小于2%
图16最终系统结构图
图17物平面显示的“F”图像图18第三视场的成像情况
P)系统参数规化后,应给定公差,并标注于加工图纸。
公差给定不合理,将导致大的加工误差,使系统无法正常使用,这部分内容稍后介绍。
下面针对该显微物镜设计,提出几点注意事项:
1)不同的光学设计人员在针对同一初始结构进行设计时,由于设定变量组合或给定优化函数等过程不一样,将导致不同的最终设计结果。
因此,上面所谈优化过程仅为参考!
很有可能,你的像差平衡过程更贴近于系统的全局最小值,取得更好像质!
比如,可以将像距固定为小于0.1大于0的数,或者调整改变焦距的步骤,或者设定操作数的不同或相应权重值的大小不同等等,都将改变优化的结果,设计人员可进行不同的尝试,最终给出你的最佳设计结果;
2)优化过程最好总结积累经验,将所学所想分享于他人,也许你所总结的并不一定正确,或者别人不经意的一点提示可以省却你的很多时间!
不要闭门造车,更不要不懂装懂!
三人行,则必有我师!
谦虚好学是提高设计水平的必然途径!
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中倍平场 显微 物镜 设计