消色差显微镜的设计和性能 分析.docVIP

里仁学院 消色差显微镜的设计及性能 分析 2017年1月日 为解决普通生物显微物镜视场小、场曲和色差严重的问题,本文利用光学软件ZEMAX设计了一款消色差显微物镜,通过合理的结构优化、光焦度分配及材料选择,使该物镜具有大视场、高数值孔径、平场复消色差的特点。消色差物镜是常见的物镜，外壳上常有Ach字样，这类物镜仅能校正轴上点的位置色差(红、蓝二色)和球差(黄绿光)以及消除近轴点慧差；不能校正其它色光的色差和球差，且场曲很大。 关键词：显微镜 消色差 物镜 ZEMAX 目录 一.引言…………………………………………………………1 1.1国内外研究状况………………………………………1 1.2研究设计目的…………………………………………3 二.方案设计……………………………………………………3 2.1设计原理………………………………………………3 2.2器件选择与……………………………4 2.3原始系统参数输入及像质评价………………………6 2.4利用ZEMAX做像差优化设计…………………………11 三. 总结………………………………………………………13 参考文献………………………………………………………14 一.引言 1.1国内外研究状况 显微技术在各个领域发挥了重要的作用， 至今显微镜仍广泛应用于科学领域，应用前景很好，在物质微小区域进行化学成分分析、显微形貌察、微观观结构测定等方面都起着重要的作用。 最初的显微镜产生于十六世纪末期，17 世纪中期，英国科学家虎克制做了最早的复式显微镜在生理学研究方面有重大突破[1]，1684年惠更斯设计了现今仍在使用的生物显微镜，当时的显微镜物镜没有校正像差, 镜径又小，球面像差和色像差严重。在复式显微镜发明之后的两个世纪中，尽管许多科学家和光学制造商作了许多的努力，他们用不同透镜及不同光阑的组合进行了种种尝试，却收效甚微[2]。1824年法国物理学家塞利格提出了一个为高倍显微镜消色差的方法即把几个低倍消色差物镜用螺旋推动以联合使用，这样就可避免制造十分短的焦距的物镜而又能得到较高倍率的消色差物镜。根据塞利格的方法，薛瓦利埃于1825年制成了消色差显微镜；C.薛瓦利埃于1834年制成的消色差显微镜还附有反射物镜、聚光镜及偏光元件等[3]；1855年意大利的阿米奇设计成功一种消色的中倍显微镜物镜；1878年德国物理学家阿贝成功设计制成油浸显微镜，显微镜的分辨本领已达到其理论极限（0.2um），而且在照明系统和机械结构等方面这时都已达到合理的定型[4]。 在阿贝的现代显微镜制成之后，光学显微镜并未停止发展.。除了阿贝在18 86 年制成复消色差物镜和伯格霍尔德于1950 年设计成功平场复消色差物镜之外，20 世纪的前半个世纪里，光学显微镜有如下两个方面的发展。 第一，为了观察生物标本的不同结构，提供多方面信息而设计成( 或改良) 一些特种显微镜，如暗场显微镜、偏光显微镜、荧光显微镜、离心显微镜等。 这一类显微镜我们称之为第一类特种显微镜。 第二，仅为工作上的方便而设计成的一些特种显微镜，如倒置显微镜、体视显微镜、袖珍显微镜等。这一类显微镜，我们称之为第二类特种显微镜。 在20 世纪后半个世纪中，还将激光和电子技术引人光学显微镜中。1932年Rushka等人根据电子光学与光学的相似性， 并参考光学显微镜的结构，在德国柏林大学成功制造了第一台电子显微镜[5]。1952年，诺马斯基发明了干涉相位差光学系统。1978年, 一种新的物理探测系统———扫描隧道显微镜被德国学者宾尼和瑞士学者罗雷尔系统地论证了, 并于1982年成功制造。这种新型的显微镜,横向分辨率达到0.01 nm, 纵向分辨率达到0.001nm, 使单个原子的操作成为了可能。在扫描隧道显微镜(STM)原理的基础上, 结合各个领域的新要求, 发明了一系列新型显微镜[6]。如原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、扫描热显微镜、扫描隧道电位仪(STP)等等。光学仪器的核心部分是光学系统，光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏，二百多年来, 人类一直以不断提高显微镜分辨本领而努力创新, 一个高质量的的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成，现今的显微物镜存在局限性，视场小、场曲和色差比较严重，因而研究显微物镜设计对于改进成像质量具有实际意义。本文以ZEMAX光学设计软件为基础，利用ZEMAX的像差分析功能和自动优化功能并利用缩放法对成像质量进行改善。 显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、原位成像等特点，被广泛用于电子工业、半导体工业、IT产业、医疗、科研等领域。物镜是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接影响成像的质量和各项光学技术参数，对显微镜系