中倍平场显微物镜设计（:二-25 , NA 二 0.4 , L = 195mm ,丨 F 1mm ）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！dl “推导：若正追光线，则1= dldl，改变系统间隔及透镜厚度不易控制像面dl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：NA 二 nsin u ： u = U = u ： = = 0.016Y25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 y =工=12.5mm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Surfacer/mmd/mm材料ObjectcO165.3581-6.8230.95ZF72-11.0152.7325.291.96ZK34-17.0227.5StopCO7.4611.7222.38ZK97-6.5461.19ZF78-22.910.3293.5974.08ZBaF3102.63111CO0.17K912oO0.276789MImage物方数值孔径(Object Space NA ) : 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Lgns data editor”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ZEMAX 2008版)DT OIBCRRII7W RM： IH uOJJ iiurr WE 皿冃 EM =一I5?PHJ pwrit :P-fW?氛幣Fftbfz- Sf 和a.M証讯E 0莊：A-1：昭目底；：（區r兰- rj ；x.fen IC-UF：RTTDU 1 riF 1图2初始数据的点列图松的帕LLIHj Ur- 口rl_ 二FOL/CHRCHIRTEC DIPFRArTICK 1 1TI=THU RPR 1H ZJDUDATA F：DF Rm TO 0,5虫 4SL.FC-EH 邛 IRGE：三-1 1 X.CDr PPTOURATTOU L CF 1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 Merit Function干oolsf Default Merit Function ,在该选项框中选择RMS,Spot Radius, 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 宀 Aberration CoefficientsSeidel Diagram （或 Seidel Coeffients ）,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 Spherical Aberration 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Seidel Diagram，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 Merit Function 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Marginal Ray Height ”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）；巳 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“ Merit Function Editor ”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）；d2作为变量，在“OPT”中选中AutoG）尝试其它距离或厚度作为变量，选择第一、二透镜间距，即Update”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Surf:TypeCoimant-RadiusThicknassGIaisBJStandardInfinity165.3580001Standard百.578469V口950000ZF7zStandard-8.313144V3.987496V:StULdard11.243496V丄960000ZK34Standard-68占呂V7.ZZ59ESVSTOStandardInfinity口.27B549V6Standard13.076031V2.3SOOOOZB：?7StandardS34ZZV1.190000ZF78Standard446.485900V0.3200009StndAtd3.55丄官V490000ZBAF3L JStELndar dJ 931307V1.00000011SttidardItlf lillty0.170000K912StandardInfinity0B1010000IMAStandardIn ltt.it y二H）选择第1个透镜厚度di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：K II2.&I HKI1 .0F苫CHFUI冃TIC OTREFCTIPH I RTFTMJ RPR 21 .*7氏芒皿-U矍誌訂罢nrzr玄号D-CD耳脅3哙咱 FflTURL FREOLRETlf TH f lTILEZ- PER MHwb 仏ehroi - zjr v-:口iu工住L岸-口tto*n匸疟 丄图4 MTF曲线镜头的外形结构图如图 5所示:壬抽广牯紀喙申：迪11和峙 4即1.”ri| iFiftljf-HTIOM L 匸沪 1图5镜头的外形结构图25倍，或者说在此时，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斡* 6: PrescriptionUpdate Settings ?rint WindowBack Focal Lengt-h-0.178261STotal Track25.642Image S-pacs F/g1.179112Paraxial Vorking F/撐1.2S7347Working F/#1.267255Image Space NAObject Space NA0.016Stop RsLdius2,2412ZSParaxial Iniage Hsight0.5070037Paraxial Magni ficat-ion-0.0405603Ent rance Pupil Dlajueter5.85186ZEnt rajice Pupil Position17.48928Exit Pupil Diaiueter3.L71S13Exit- Pupil Position-4.01813由表看出，Image Space NA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。0.00.Of.10SFRfFlAL PPEtJUR-JC-v IM I? fCi-.K- FEE 卜沁FOLiCHROitRTIC DIFFF.RCTIJCil l I IT匚L Q二 DF=. LT II K U.K1 mtIT. E.Si Hu5 LZ.D rriT也i R