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1、第28卷第5期东南大学学报Vol128No151998年9月JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITYSept.199850倍显微物镜的计算机辅助设计陈健(东南大学电脑开发应用中心,南京210096)摘要阐述了一种显微物镜的光学设计过程.首先确定物镜的光学结构,再通过几种计算机辅助设计方法,最终设计出成像质量优良的物镜.关键词显微镜;计算机辅助设计;迭代法中图法分类号TH742;TP391172在研制落射式荧光显微镜时,根据用户要求,专门设计了一个在国内尚未批量生产的50倍消色差物镜,其工作介质为水,数值孔径达到1.因其数值孔径大而较一般物镜的观察效果为好.1设计思想在荧光显微镜
2、上切片激发出的荧光通常都很微弱,观察时成像暗淡,影响了对被观察物体细节的分辨.因此要想清晰地观察荧光效果,不但物镜的成像质量较一般物镜要高,而且集光能力要强.物镜的数值孔径大,集光能力就强,观察荧光的效果则较佳,所以应尽可能增大物镜的数值孔径,让更多的光线进入物镜参与成像,为使此物镜适于在荧光显微镜上使用,应有适当的工作距离而又有较小的口径,物镜的工作介质不宜用空气,故确定设计浸液物镜.一般浸液物镜常用的工作介质为香柏油.由于香柏油对激发出的荧光有淬灭作用,在荧光显微镜上不能使用.所以选用对荧光效果无淬灭作用的普通的水为工作介质,使用的水只要无色、无味、洁净即可,代价极其低廉,来源广泛,用户使
3、用起来也很方便.250倍水镜的初始结构由于消色差的需要,数值孔径为110或110以上物镜的透镜片数均在7片以上.考虑到该物镜装在落射式荧光显微镜上,而此显微镜又可作普通生物显微镜使用,因此该物镜需在透射光和落射光两种状态下工作,为了减少透镜各面的反射光,除镜片表面镀增透膜外,应尽量减少透镜片数,所以选择6片透镜的结构作为该物镜的初始结构.6片结构的分配为前面两个单片透镜,后两组为双胶合透镜组,此外在大数值孔径的情况下,为有效地使像差尤其是带球差和轴外慧差能得到充分校正,前片拟采用高折射率且对波长收稿日期:1997-04-07,修改稿收到日期:1998-06-02.128东南大学学报第28卷45
4、0nm以上激发光的透过率较高的玻璃材料,为此前片选用牌号为LaF10的玻璃材料.然后综合考虑焦距的分配、轴上点像差的校正等因素,解出第2个单片和后2组双胶合透镜组的初始结构.3像差的校正工作将已确定的初始结构用光路追迹程序计算一次,得到各项像差的初始数值,然后参考这些数值的大小,初步确定各项控制像差的权因子和目标值,用阻尼最小二乘法程序进行自动迭代平衡.在原始结构迭代初期,也就是大多数像差实际值都离目标值超差很大时,需要根据迭代情况经常变动权因子,而目标值可以基本不动;迭代进行到一定时候,当大多数像差实际值接近目标值而少数像差超差还较严重甚至徘徊不动时,则不但要酌情增减大多数像差的权因子,还可
5、改变那几个像差严重超差的目标值,赋于像差超差的相反方向一增量,以便这几项像差能较快地趋近目标值.像差结果见图1.图1初始像差曲线该结构的带球差和色差超差严重,对于带球差,考虑可通过弯曲前片的两面,使其得到下降;对于色差,则需进一步更换透镜的多块玻璃材料使其得到适当的校正.由此得到该结构各面的初级象差SÑ,SÒ,SÓ,SÔ,SÕ和C1,C2,根据C1值对应于波色差OPD,C2值对应于倍率色差(YF-YC),则从初级色差C1和C2数值的大小可分析出各面对[1]整个系统OPD和(YF-YC)的影响.现前片的OPD为负超差,(YF-YC)为正超差,再从算出的初级像差来看,一方面各面C1值的总和为负值,
6、这应该使负透镜玻璃的阿贝数M增大或使正透镜玻璃的阿贝数M减小,让OPD减少负超差;另一方面各面C2值的总和为正值,则需使各透镜玻璃的阿贝数M提高,这样(YF-YC)才能减少正超差,所以综合这两方面对色差的影响,先找出对C2值影响较大的几个面,再从这几面中找出组成负透镜的面,然后调换阿贝数M较原先为高的负透镜的玻璃材料,使波色差OPD和倍率色差(YF-YC)从正负不同方向都向目标值靠拢.通过重新求解各面的曲率半径,系统OPD的(YF-YC)均有所下降,但(YF-YC)还是离第5期陈健:50倍显微物镜的计算机辅助设计129目标值较远,因此将第2镜片改为双胶合的透镜组,参考以上讨论的原则选择适当的玻
7、璃组成,使倍率色差(YF-YC)降至目标值.对后2组透镜的材料也作少量调整.在此基础上再用阻尼最小二乘法程序经过几次计算机迭代运算,各项像差除波差OPD外均已达到目标值,OPD还略有超差.但此后几次修改OPD的权因子和目标值上机迭代,均难以使全部像差项达到目标值且评价函数已基本不变,往往是OPD的权因子少量增加时,迭代过程中这一项不下降;而OPD的权因子较大幅度加强时,虽然OPD下降了,但另外的像
