1、中倍平場顯微物鏡設計(P=_25、NA=0.4,L=195mm,lF1mm)、設計原則為有效控制物像共輾距離，顯微鏡物鏡需倒追光線！2dl推導：若正追光線，則a=P=冷1=dldl,改變系統間隔及透鏡厚度不易控制像面dl位谿，對共軻距的控制不利，因此設計時需采用倒追光線的方法！二、參數設定F數值孔徑輸入：NA=nsinu,.u=u波段輸入：D、F、C 光，即普通白光入射三、設計理念系統總偏角為 0.416,消色差雙膠合物鏡負擔偏角最大 0.15,單透鏡負擔偏角最大 0.2,因此系統中采用 2 個雙膠合和 1 個單透鏡。為校正場曲并負擔一定的正偏角，單透鏡采用一定正光焦度的彎月形厚透鏡。同時，為

2、適當增大后工作距，將雙膠合分為正負透鏡形式，負透鏡谿后。四、設計過程（優化）經 PW 法計算推導，得到最終鏡頭數據如表 1 所示：表 1 初始數據Surfacer/mmd/mm材料ObjectQO165.3581-6.8230.95ZF72-11.0152.7325.291.96ZK34-17.0227.5StopQO7.4611.7222.38ZK97-6.5461.19ZF78-22.910.3293.5974.08ZBaF3102.63111000.17K912000.276789MImage選擇 3 個線視場：0、8.84mm、12.5mm物方數值孔徑（ObjectSpaceNA）：0

3、.01604=0.01625視場輸入：物在有限距離，輸入線視場（單位:Fmm,物像顛倒，故y=12.5mm物品巨：165.358mm 注息：A.如果物距默認為無窮的話，此時輸入數值孔徑，系統將提示錯誤信息，因此需首先給定物距；B.輸入距離不能為負值，優化過程中也應注意此項。負值的 d 只能出現在反射式系統中；C.鍵盤上的Insert鍵是在Lensdataeditor”中插入面，Delete”為刪除面，修改數據時，按Backspace退格鍵，不要按Delete刪除；D.在輸入玻璃牌號的時候，注意區分 ZF 和 ZK,經常有同學因搞混而導致數據錯誤；E.在進行系統優化時，不要選擇改變蓋玻片半徑、厚

4、度、后工作距和光闌半徑作為變量！(1)將表 1 輸入至 ZEMAX 中，得到點列圖和 MTF 曲線如圖 2 和圖 3 所示：(本教程使用 ZEMAX2008 版)IE-HEXCOIJFirJIFATTnHCiFI圖 3 初始數據的 MTF 數據(2)設定默認優化函數n.reCv小4丁二POTDIRGPfRH7HURFkIHZ0JJIJkinSIRFF、心.F1EIP-IZ3PH5FADUC；2.!二曲空0F觸弓:I3芯叱卬It，星SCHLE:JCJPE任由磔THIEF珥圖 2 初始數據的點列圖DR1RFORSUPFRCE：? ?- -r rMRMR-H.-H.Mn-InTnT撞j=氏用mCOI

5、IFIC-LFATirijripj二片白1口白|_FFECUEIC311PDLICHPDI-IATICI：工FFACTLOHITTFISDIFF.LimiT&9,的tlHTV； ：.=41111選 擇 工 具 欄EditorsMeritFunction-ToolsDefaultMeritFunction ， 在 該 選 項 框 中 選 擇RMS,SpotRadius,Centroid,其它項默認即可，選擇 OK。為避免焦距變化過大，將其確定為初始值，即設定有效焦距 EFFL 為 6.9（選擇第 2 波長）。（見附件-初始結構）（3）優化過程查看工具欄 AnalysisfAberrati

6、onCoefficientsSeidelDiagram（或 SeidelCoeffients）,比較直觀地觀察系統各表面對各種像差的影響，鑒于顯微物鏡主要校正軸上點球差、色差和正弦差，因此可以選擇紅顏色的 SphericalAberration 作為主要觀測對象。經觀察發現，第 1、3、4、7、8 這幾個表面對球差影響較大，因此可以嘗試這幾個半徑組合作為變量，每次優化在之前基礎上增加兩三個半徑作為變量，不要一次增加太多變量，否則效果不一定好。Ctrl+Z 是設定變量的快捷方式。在優化效果不好時，不要盲目繼續甚至保存，而要按 F3 鍵返回，否則有可能因錯誤選擇優化方向而鉆入“死胡同”！最好的方法

7、是，每次有效的優化都另存為一個文件，文件名可按照自己的習慣選擇具有“標志性”的名稱，這樣方便以后回顧自己的設計過程或調用相關優化記錄。A）通過查看 SeidelDiagram,首次選擇 r3,r4,r7 半徑作為變量，點擊OPT”進行自動優化（結果見附件-1 優化半徑 347）,點列圖減小，MTF 曲線變化不大，注意 MeritFunction 理想值應為 0;B）繼續選擇變量 r1,r8,r10 半徑作為變量，自動優化（結果見附件-2 優化半徑 1810）;此時，像距已變為 0.05mm 左右；C）為防止像距過大波動，將其固定為 0.1mm,取消像距位谿的MarginalRayHeight”

8、選項，繼續優化（結果見附件-3 固定像距）；D）繼續選擇變量 r2,r6 半徑作為變量，自動優化（結果見附件-4 優化半徑 26）;E）繼續選擇變量 r9 半徑作為變量，自動優化（結果見附件-5 優化半徑 9）;F）至此，所有能選做變量的半徑都已選擇，下一步即化透鏡間隔或空氣厚度 d,首選光闌前后半徑 d4,d5 作為變量，同時在“MeritFunctionEditor中輸入“TOTR”操作數，目標值為 29.642（195mm-165.358mm=29.642mm） ,以確保在優化過程中的物像共軻距， 權重weight”設定位 1,然后進行 OPT自動優化（結果見附件-6 優化光闌位谿 45

9、）;G）嘗試其它距離或厚度作為變量，選擇第一、二透鏡間距，即 d2 作為變量，在“OPT”中選中“AutoUpdate”復選框，然后進行自動優化，實時觀察 MTF 曲線的變化及透鏡外形的合理性，在合適的位谿選擇“Terminate”終止優化過程（結果見附件-7 優化第 1、2 透鏡間距 d2）,數據見表 2;表 2 自動優化終止時的透鏡數據Surf:TypeRadiusThicknassBJStandardInfinity165.3580001Standard-6.S78469V0.950000ZF7ZStandard-8-313144V9.987496V?StULdard11.Z43498V

10、1.960000ZK34Standard-68.S93806V7.ZZ59ESVSTOStandAtdInfinity0.27B549V6Standard13.076031V2.3SOOOOZE?7Standard-5.364Z26V1.190000ZF78Standard446.485900V0.3200009StStHdAEd3.551860V4.090000ZBAF3LJStEindard2.931307V1.00000011SttidardItlflillty0.170000K912StandardInfinity0B100000IMAStaidfidInfinity二H）選擇第 1

11、個透鏡厚度 d1 作為變量進行自動優化，（結果見附件-8 優化第 1 透鏡厚度 d1）,此時觀察 MTF曲線，如圖 4 所示：25 倍，或者說在設計顯微物鏡之初，系統要求的物方數值孔徑并沒有達到表 3 點擊快捷方式Pre 顯示出的系統相關參數UpdateSettingsPrintWindo和6:PrescriptionDataBackFocalLengt.hi-0.1?82filSTotalTrack：29.642ImageSpaceF/S：1.L7911ZParaxialWorkIngF/K:l.Z7347WorkingF/#:1.267255ImageSpaceNA:0.366336Obj

12、iectSpaceNA.：0.016StopRadius：Z.Z41Z25Paraxial工ma_geHeightr0.5070037ParaxialMagnification.二0.0405603EntrancePupilDiameter：:5.851862HntrancePupilPosition：17.489ZSExitPupilDiaiueter:3.17LS19ExitPupilPosition:-4.01819由表看出，ImageSpaceNA 只有 0.366996（由于是倒追光線,E：0 白 CUI$EDIIrAWFRLE：1HR&C圖 6 更改焦距后優化半徑結果J）為

13、便于控制厚度不為負彳 K,可以重新選擇DefaultMeritFunction,選中Glass和Air,將其最小值設為 0.1,最大值可默認不變，輸入“Startat4”，表示在優化函數的第四行開始優化，確定后開始自動優化（結果見附件-10 重新設定優化函數后優化），傳遞函數曲線及外形結構圖見圖K）經分析和試驗，選擇厚度 1,2,4 作為變量，自動優化（結果見附件-11 設定厚度 124 為變量優化）L）將厚透鏡厚度 d9 作為變量，自動優化（結果見附件-12 設定厚度 9 為變量優化）aiEtJDfi二MCQrJPIGUPATiriiJJOFjf*DETflTlALpFEDUEMrYjri匚

14、 Fr-l-lPCCICHFOMWTTCClFFFACTICirtHTFM）嘗試其它厚度變量，優化后均沒有較好的校正效果。由顯微物鏡分辨率公式，知6=0凹=坐88=0.735Nm,計算 MTF 特征頻率：NA0.41mm=1361lp/mm,人眼對比度閾為 0.020.03,由圖 9 可以看出，各視場 MTF 值在特征0.735m頻率處均大于 0.03,各視場曲線下降平滑緩慢，像質較好，衍射極限在此處值為 0.45 左右，相差不大。二柏T白，P二甘-DIJDRTFiFiDPD.BT。0.TFM1.二W3U!圖 9 特征頻率為 1361 時的 MTF 曲線經觀察，最大線視場的子午傳遞函數曲線下降

15、相對比較嚴重，因此可適當增加操作數進行最后的控制，使用 MTFT（子午傳函曲線）操作數，令其在 MTF 曲線下降相對較嚴重處附近即 544lp/mm處的目標值為 0.5。同時，在特征頻率處，提高 0 視場的 MTF 值，在優化函數中輸入 MTFA,頻率設定在 1361lp/mm 處， 目標值為 0.1,權重設為 5,自動優化 （結果見附件-13 系統最后優化） 。 圖 10 是設定 MTF操作數后的優化結果，可以看出傳函曲線較之前有所改善，但沒有本質的變化，因此只能作為最后過程使用。此步設定傳函值的優化方式只適用于系統優化的最后過程，切忌在自動優化之初就使用，否則將得不到好的結果！IZlE。3

16、日 g,：HrnHFIUfAiiniJji：率ii.iMisj姆$尊 f.吃iwii-主口nAC唯心陽口JILE：情PMrMCwiftTirDPWftrTJffljIITF.F.F舊為-w工禮匚vi=4,口*N）參數規劃為便于加工，需將所設計鏡頭的半徑、厚度等參數進行規化，使之與加工工廠模板相一致。作為光學設計實驗，選用 ZEMAX 默認樣板數據。首先進行半徑數據規化：點擊 ToolsfTestplates-TestPlateFittingfOK,系統自動運行參數規劃過程（結果見附件-14 半徑參數規劃）。優化過程發現，如果保留 MTF 操作數，系統將進入死循環，原因可能是系統在套樣板過程中無

17、法滿足較高的像質要求，因此去除 M）步驟加入的兩個新操作數（實際上相當于又回到了 L 步驟的結果）。系統經過短時間計算后，得到圖 11 所示的透鏡數據和圖 12 所示的 MTF 曲線，可以看出，系統像質變化不大。并且，計算完成后，系統自動彈出“TestViewer”半徑匹配表格數據。現在，在特征頻率處傳遞函數值最低的 0 視場的 MTF 函數值為 0.053,仍大于 0.03.,滿足像質要求。若加工工廠所用樣板數據與 ZEMAX 默認樣板數據不一致，應以實際加工工廠樣板為準。半徑規化過程中，首選對像質較敏感半徑進行規化，使之與最接近的樣板數據一致，然后使其它半徑為變量進行優化，以保障設定的優化

18、函數不變，以此類推。UILensDataEditorEditSolvesiewHelpr-EFF.LiinirTS|工.堂HH再、充小妹4IEt*SFP7I&LPFIGOUGCCi-CLEZ舊HJ口 fVlii.vy,T5P1RTIRLFFECTJEHCHlCCLEPEPHII5COIICXlEdTlOHJE亡LF-nTDIACFAMRFF券RIJNII耳RFfAIFiFfiraie:(LBUR川F3E1O13芝HI：PAIDIUrJg75J5g英叔Fflbius：“二鱉江16E白=MXMEew:“綽1：ME，PHrriiiFlQLFRlinHIripj圖 14 系統點列圖DISTORTZONPERCENT圖 15 系統相對畸變小于 2%P）系統參數規化后，應給定公差，并標注于加工圖紙。公差給定不合理，將導致大的加工誤差，使系統無法正常使用，這部分內容稍后介紹。下面針對該顯微物鏡設計，提出幾點注意事項：1）不同的光學設計人員在針對同一初始結構進行設計時，由于設定變量組合或給定優化函數等過程不一樣，將導致不同的最終設計結果。因此，上面所談優化過程僅為參考！很有可能，你的像差平衡過程更貼近于系統的全局最小值，取得更好像質！比如，可以將像距固定為小于 0.1 大于 0 的數，或者調