中倍平场显微物镜设计

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1、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

2、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Object165.3581-6.8230.95ZF72-11.0152.7325.291.96ZK34-17.0227.5Stop7.4611.7222.38ZK97-6.5461.19ZF78-22.910.3293.5974.08ZBaF3102.631110.17K9120.276789MImage物方数值孔径（ObjectSpaceNA）：0.016选择3个线视场：0、8.84mm、12.

3、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ZE

4、MAX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→SeidelD

5、iagram（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

6、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

7、”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

8、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“A