中倍平场显微物镜设计

中倍平场显微物镜设计(-25 , NA=0.4 , L = 195mm , If 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 二12二 1= dl . . dl，改变系统间隔及透镜厚度不易控制像面dl位臵，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 = n sin u : u = = u ： = -0.4 = 0.016丫25视场输入：物在有限距离，输入线视场（单位:mm，物像颠倒，故y12.5mm波段输入：D、F、C光，即普通白光入射三、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，负透镜臵后。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ObjectQO165.3581-6.8230.95ZF72-11.0152.7325.291.96ZK34-17.0227.5StopQO7.4611.7222.38ZK97-6.5461.19ZF78-22.910.3293.5974.08ZBaF3102.63111oO0.17K912oO0.276789MImage选择3个线视场：0、8.84mm、12.5mm 物方数值孔径（Object Space NA）: 0.016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Lens 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)WJ： fii购:罠期miw-口耶聊Q.WTv 爭乐专厲决I丄书Hi5FDT DIRGFRH7HU RFPf |M Z0JJ UUITS RFEFELI=1Z3PHS FADIW. :D.7D02.BTT2.FO7tEO Pfttll： :1 .鲨乞SCALE:PEfEFtNit : CHIEF 闻pzT3- t -1 Xr IFIGLIFATIDH riF J2 DIFF. LIHHW J2.50 圖图2初始数据的点列图POLiCHOtlATIC DIFFPhlTIuN 1 OFthu bpp IM 20jiuDAin FDF D .TO H .LUFFFI匚 E； IHRQCie- rr-i01 JFIGUFATIDH 1 riF J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 -Tools 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 Aberration Coefficients Seidel 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，取消像距位臵的“ 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优化光阑位臵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，在合适的位臵选择“ Term in ate ”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:TypeRadiusThicknassBJStandardInfinity165.3580001Standard百.578469V口950000ZF7zStandard-8.313144V3.987496V:StULdard11.243496V丄960000ZK34Standard-68占呂V7.ZZ59ESVSTOStandAtdInfinity口.27B549V6Standard13.076031V2.3SOOOOZE?7StandardS34ZZV1.190000ZF78Standard446.485900V0.3200009StStHdAEd3.5518SOV4.090000ZBAF3L JStELndar dJ 931307V1.00000011SttidardItlf lillty0.170000K912StandardInfinity0B1010000IMAStaidfidInfinity二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：r Dir F. UhIIiMmTU 12.0 1111R-.T七 石.M.2 0-J tlF= 口JDT口 n-PEE：0a i-I u EDICtH 匚 T 匸盯 fgTiaM I C JH C-TLE 吋 MHPDL 11 EJFSRCTIr DpPlSif no-ii mtpDRTFi F叮F D. Bi TO 0,弓亡事 VJi . 1U* .1 I-1213 口 叶-ZH1rnHFirLi ifurij j y i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！POL . cHFTiPIRTIC O1FFFFlF 1 lCijl HTF:-UIFFRCE ltlH&匚J3E* fi CA 丘卜TC DUFIGLIFATIOI-.I | PiF J图10设定MTF操作数后的优化结果D.*DJ 3b-1PH，I 即说I 如Iy&IZ&L PF1E0UEIIC * HB Ci-CLEZ ffiP H*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TooIstTest platesTest Plate FittingOK,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Test Viewer ”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。Ul Lens Data EditorEdi t Solves i ew HelpSur-f : TypeRadiusThicknessGlassOBJStandardInf inity165 3E6Standard亠E9991 869VZF7Standard-8.0267 702VStandard8.3661 960ZK3二Standard30.5829.110VSTOStandardInf inity0.239卫Standard9.5002.3B0ZI：5JStandard4.6391 . ISOZF7sStandard-67.1580.3209Standard3.06S3.600V2BAF310Standard2.5001.00011StandardInf init字0 . 170K912StandardInf lrirty0 . 100IMAGtandardInf inity图11半径数据规化后透镜数据鸣 12. W IIIQCH iPILUP AT I CH I I CflF j阿口如23的门 D口T口 FOE-7DMo尸仇吨眄肝寥仃叮皿叭呻mi MF图12半径数据规化后像质变换不大0）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。世duo nlnooMT50i nlhJ旦上l上*K：.Tllhl5P1RTIRL FFECTJEH匚 i III C CLE PEP HIrnL b Cncni IRTT jr 07 RPE-pr Tiru | I:fitP 口F口:-UFFRCE-XI1FCEIEE MH 4COI IICilPOTlOH J ci I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。him. p.!* mS3： fflpfi! ps；H It?!?： Ji.W mLF-ht di AC fam胡T RFF君处“LIHITS Rft軌 AIFi: 0 EW?加FIELD12ni： pwiirJ.57SJ血Ffltiiu：-:5匸r =MX:CKE CHF EEll!E : CHIEF PftrniiFlGLFAlinHCiF J图14系统点列图DISTORTIONP匚RCENT图15系统相对畸变小于 2%图16最终系统结构图LETT EPF- IHjfiI EK1D.DPn.zj)nri DEODE-!D-XDE-D.30D D. JODE- D.CODEIIFGEi 庐 lUJPMlbll 1 qfM 1:jwt RK- 13 工JJXHLI E暮片 J. tllLLTHTIK .f JELEF FTnipu： I：. tri严罪 W!.PK-, KffM, P砂：9, WEW MAE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！