高倍显微镜ZEMAX设计 |
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目 录 1 显微镜简介 1.1 显微镜的结构 1.2 显微镜的发展 1.3 光学显微镜的种类 2 光学系统总体方案 2.1 性能参数 2.2 总体结构 2.3 设计方案 3 光学系统初始结构选择 3.1 物镜初始结构 3.2 目镜初始结构 4 光学系统优化 4.1 物镜优化 4.1.1 初始结构优化 4.1.2 优化结果分析 4.2 总体系统拼接与优化 4.2.1 总体系统拼接 4.2.2 总体系统优化 5 结果分析 5.1 指标分析 5.1.1 系统参数要求分析 5.1.2 系统成像质量分析 1.显微镜简介 1.1 显微镜结构 显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器,是人类进入原子时代的标志。光学显微镜由目镜,物镜,粗准焦螺旋,细准焦螺旋,压片夹,通光孔,遮光器,转换器,反光镜;载物台,镜臂,镜筒,镜座,聚光器,光阑组成。无疑光学部分是最为关键的,它由目镜和物镜组成。 1.2 显微镜发展 最早的显微镜是16世纪末期在荷兰制造出来的。发明者是亚斯·詹森,荷兰眼镜商,或者另一位荷兰科学家汉斯·利珀希,他们用两片透镜制作了简易的显微镜,但并没有用这些仪器做过任何重要的观察。后来有两个人开始在科学上使用显微镜。第一个是意大利科学家伽利略。他通过显微镜观察到一种昆虫后,第一次对它的复眼进行了描述。第二个是荷兰亚麻织品商人列文虎克(1632年-1723年),他自己学会了磨制透镜。他第一次描述了许多肉眼所看不见的微小植物和动物。1931年,恩斯特·鲁斯卡通过研制电子显微镜,使生物学发生了一场革命。这使得科学家能观察到像百万分之一毫米那样小的物体。1986年他被授予诺贝尔奖。 1.3 光学显微镜的种类 光学显微镜的种类很多,主要有明视野显微镜(普通光学显微镜)、暗视野显微镜、荧光显微镜、相差显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、偏光显微镜、微分干涉差显微镜、倒置显微镜。 2.光学系统总体方案 2.1 性能参数 设计要求: 1)物方分辨距离0.5μm 2)共轭距为180mm 3)人眼分辨率按照1′ 4)垂轴放大倍率β≥200 5)出瞳距大于15mm 2.2 总体结构 本高倍显微镜系统由一个目镜组和一个物镜组组成。 2.3 设计方案 本高倍显微镜系统选择放大倍率为五倍的目镜组和四十倍的物镜组。 3.光学系统初始结构选择 3.1 物镜初始结构 本高倍显微镜系统的物镜选用了如下图所示的初始结构。此结构的放大倍率为40倍左右。 3.2 目镜初始结构 本高倍显微镜系统的目镜选用了如下图所示的初始结构。此结构的放大倍率为5倍左右。 4.光学系统优化 4.1 物镜优化 4.1.1 初始结构优化 固定共轭距长度为180mm得到此时透镜单元的有效焦距为4.27mm。固定共轭距长度180mm,透镜单元的有效焦距为4.27mm,对近轴放大率进行优化,优化到40倍,得到如下结构: 4.1.2 优化结果分析 如上图所示,该系统在低频部分曲线围成的面积大。 4.2总体系统拼接与优化 4.2.1总体系统拼接 将优化完的的物镜和目镜拼接起来。 4.2.1总体系统优化 固定焦距,将系统中镜片的半径改为可加工出来的半径(即套玻璃库模板)。 5.结果分析 5.1指标分析 5.1.1系统参数要求分析 出瞳距16mm,放大倍率200倍,NA=0.67满足要求。 5.1.2系统成像质量分析 MTF传递函数 点列图 通过分析传递函数和点列图,可以看出显微系统成像效果很好 设计要求: 1)物方分辨距离0.5μm √ 2)共轭距为180mm √ 3)人眼分辨率按照1′ √ 4)垂轴放大倍率β≥200 √ 5)出瞳距大于15mm √ 设计结果:
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