帶校正環(huán)的物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

陳新錦

(麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,福建 廈門(mén)　361006)

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帶校正環(huán)的物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

陳新錦

(麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,福建 廈門(mén)361006)

利用軟件Zemax設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),無(wú)限遠(yuǎn)校正系統(tǒng),其放大倍數(shù)為40×,可見(jiàn)光波段,數(shù)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(chǎng)。從鏡頭專(zhuān)利庫(kù)ZEBASE中選擇合適的鏡頭作為初始結(jié)構(gòu),通過(guò)設(shè)定合理的優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化該鏡頭,對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)行成像指標(biāo)分析,該款物鏡能滿足使用要求。

光學(xué)設(shè)計(jì); 蓋玻片校正; 無(wú)限遠(yuǎn)校正系統(tǒng)

引　言

由于蓋玻片的制造誤差使其厚度不一,而高數(shù)值孔徑的顯微物鏡對(duì)蓋玻片厚度要求較高,因此導(dǎo)致成像質(zhì)量下降,對(duì)應(yīng)的性能下降數(shù)值[1]如表1所示。另外由于所觀察標(biāo)本覆蓋的蓋玻片厚度規(guī)格不同(例如應(yīng)用在工業(yè)觀察導(dǎo)電粒子時(shí),玻璃蓋板厚度不均),就需要更換不同規(guī)格的物鏡使用,會(huì)造成客戶生產(chǎn)成本的增加和管理的混亂。所以基于上述的需求出發(fā),本文設(shè)計(jì)一款帶校正環(huán)的物鏡,在物鏡的中部裝有環(huán)狀的調(diào)節(jié)環(huán),當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)時(shí),可調(diào)節(jié)物鏡內(nèi)透鏡組之間的距離,從而校正由蓋玻片厚度不標(biāo)準(zhǔn)引起的像差。

1　設(shè)計(jì)參數(shù)

四大品牌(Zeiss/Leica/Olympus/Nikon)對(duì)應(yīng)的物鏡參數(shù)如表2所示,綜合考慮客戶的需求和市場(chǎng)定位,設(shè)定此設(shè)計(jì)目標(biāo)為:數(shù)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(chǎng)。

表1　蓋玻片厚度變化的性能下降

表2　四大品牌物鏡參數(shù)

2　光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1初始結(jié)構(gòu)的選擇

對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),最好最快的方法是直接從專(zhuān)利中選取一個(gè)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)[2]。選擇初始結(jié)構(gòu)的原則是數(shù)值孔徑和視場(chǎng)與設(shè)計(jì)的要求相當(dāng)[3],通過(guò)對(duì)主要的參數(shù)指標(biāo)分析計(jì)算,然后從鏡頭專(zhuān)利庫(kù)ZEBASE中選擇一個(gè)NA=0.65的40倍鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)。

2.2設(shè)計(jì)思路

圖1　齊明透鏡

此物鏡屬于高倍物鏡,相對(duì)孔徑較大,那么在系統(tǒng)像差校正時(shí)困難較大,若在系統(tǒng)的前部放一齊明透鏡,則對(duì)軸上點(diǎn)不引進(jìn)像差,這樣大大減少了后面系統(tǒng)的孔徑角負(fù)擔(dān),系統(tǒng)的殘余像差不大[4]。

為不失一般性,設(shè)前組為一彎月透鏡,如圖1所示,其玻璃折射率為n。

設(shè)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(guān)系式就可以求出所要求的前組結(jié)構(gòu)[5]。

不同于其它固定間隔的光學(xué)系統(tǒng),此光學(xué)系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡組之間的間隔來(lái)校正由蓋玻片厚度不標(biāo)準(zhǔn)引起的像差,所以在設(shè)計(jì)中要選定一透鏡組為動(dòng)組來(lái)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(tǒng)跟變焦系統(tǒng)類(lèi)似,也是靠改變間隔來(lái)校正平衡像差,不同的是此系統(tǒng)的焦距不變。

為了便于像差校正,在顯微物鏡設(shè)計(jì)中按反向光路計(jì)算[6]。

2.3優(yōu)化過(guò)程

顯微鏡物鏡屬于大孔徑、小視場(chǎng)的小像差系統(tǒng),必須校正好球差、彗差和色差[3]。在優(yōu)化函數(shù)中設(shè)定合理的操作數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1) 因?yàn)橛卸鄠€(gè)結(jié)構(gòu)所以要設(shè)置多重結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在多個(gè)結(jié)構(gòu)中有側(cè)重點(diǎn),考慮到實(shí)際用途,在此設(shè)置1.1 mm厚的蓋玻片為主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)兼顧0和1.5 mm,為了讓曲線平滑,可以設(shè)置多個(gè)結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)之間變化較少。

(2) 選擇系統(tǒng)默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù),優(yōu)化參考值選擇像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的均方根值,使用波像差及像質(zhì)指標(biāo)的零點(diǎn)在質(zhì)心。在選項(xiàng)中填寫(xiě)合適的空氣間隔和玻璃約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

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

(4) 將操作數(shù)STOP光闌面的位置設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

(5) 用操作數(shù)LONA控制球差,用操作數(shù)TRAY控制彗差。

(6) 用操作數(shù)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O(píng)HARA的材料庫(kù)中選取合適的透鏡材料進(jìn)行優(yōu)化。

應(yīng)用Zemax對(duì)透鏡進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化時(shí)分成三個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。

第一階段先校正基本像差,如球差、彗差、色差和場(chǎng)曲。要根據(jù)系統(tǒng)所有面的賽得系數(shù)貢獻(xiàn)大小進(jìn)行調(diào)整,使得每個(gè)面的像差貢獻(xiàn)均勻。第二階段校正高級(jí)像差,完成初級(jí)像差校正之后,分析系統(tǒng)的像差找出最重要的高級(jí)像差,再對(duì)其校正,只有在基本的像差得到校正的前提下,校正高級(jí)像差才有意義。第三階段像差平衡,在校正完各高級(jí)像差之后,如果高級(jí)像差和初級(jí)像差不能平衡就會(huì)對(duì)像質(zhì)產(chǎn)生影響,所以要根據(jù)系統(tǒng)的全視場(chǎng)和全孔徑的像差分布規(guī)律,改變各個(gè)操作數(shù)的權(quán)重,重新進(jìn)行像差校正和平衡。

2　設(shè)計(jì)結(jié)果

利用Zemax軟件對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化,其優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表3所示。

圖2　兩種不同蓋玻片的光學(xué)系統(tǒng)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(jié)果分析

因?yàn)樵撐镧R的光學(xué)系統(tǒng)屬于小像差光學(xué)系統(tǒng),所以要挑選合適的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法,這里采用瑞利判斷、中心點(diǎn)亮度及光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量。瑞利判斷是根據(jù)成像波面相對(duì)理想球面波的變形程度來(lái)判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的,實(shí)際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過(guò)λ/4時(shí),此波面可看作是無(wú)缺陷的。而中心點(diǎn)亮度是依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)存在像差時(shí),其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時(shí)衍射斑的中心亮度之比來(lái)表示光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的,此比值用S.D來(lái)表示,當(dāng)S.D≥0.8時(shí),認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是完善的。光學(xué)傳遞函數(shù)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(xì)節(jié)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(diǎn)亮圖、MTF圖。從圖3中可以看出最大的波像差不超過(guò)λ/4,此波面是無(wú)缺陷的。從圖4中可以看出所有視場(chǎng)的S.D>0.8,所以系統(tǒng)的成像質(zhì)量是完善的。從圖5中可以看出系統(tǒng)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(xì)節(jié)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(diǎn)亮度圖

圖5　兩種不同蓋玻片的MTF

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)了一款可校正蓋玻片厚度的顯微物鏡,并給出了該系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)和系統(tǒng)的成像質(zhì)量圖形。在Zemax中使用合適的優(yōu)化函數(shù)對(duì)像差進(jìn)行校正,較好地消除了影響成像質(zhì)量的像差,使得該系統(tǒng)能獲得較好的成像質(zhì)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(jiān).3.2～8 mm百萬(wàn)像素變焦安防鏡頭設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器,2014,36(2):131-135.

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

[4]郁道銀,談恒英.工程光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:170-173.

[5]徐金鏞,孫培家.光學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1989:250.

[6]畢衛(wèi)紅,許睿,付廣偉.40倍長(zhǎng)工作距離PC熔接系統(tǒng)顯微物鏡設(shè)計(jì)[J].光學(xué)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(xué)設(shè)計(jì)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