一種長工作距視頻顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

高健　向陽　尹志東　周丹

摘要： 視頻顯微鏡隨著CCD探測器的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用。但其工作距離受以往折射式光學(xué)系統(tǒng)的限制，工作距離較短，影響了其應(yīng)用范圍。分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并結(jié)合其長工作距離，利用光學(xué)設(shè)計軟件Zemax進(jìn)行光學(xué)成像效果的仿真，給出了工作距84.5 mm，數(shù)值孔徑0.16，光學(xué)放大倍率5倍，物方線視場1.2 mm，分辨率7.7 μm的折反射式顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 視頻顯微鏡； 長工作距； 光學(xué)設(shè)計； 折反射式

中圖分類號： TB 133文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.010

引言

視頻顯微系統(tǒng)是將觀測物通過高清晰視頻顯微鏡成像在CMOS或CCD靶面上，并將視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號儲存在計算機中或?qū)D像顯示在監(jiān)視器上。結(jié)合測量軟件，可對觀測物進(jìn)行定量檢測，從而代替人眼，以便長時間觀察[1]。

視頻顯微鏡與傳統(tǒng)的顯微鏡相比，具有工作距離長、分辨率高、視場大、景深大、清晰度高等特點，在檢測領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于視頻顯微鏡是高清晰工業(yè)顯微系統(tǒng)的重要組成部分，因此，視頻顯微鏡具有較大的市場需求量。然而，國內(nèi)視頻顯微鏡頭的發(fā)展較落后，產(chǎn)品規(guī)格少，大多數(shù)產(chǎn)品存在著視場小、分辨率低、工作距離短等缺點。例如：在MA1045-Z系列視頻顯微系統(tǒng)中，最長的工作距只有45 mm，而在特殊場合需要有更長工作距的顯微系統(tǒng)。因此，研究長工作距視頻顯微鏡具有重要的現(xiàn)實意義。

1光學(xué)系統(tǒng)特點

1.1折射式光學(xué)系統(tǒng)特點

由于該系統(tǒng)具有較小的視場，因此有較小的垂軸像差。但因系統(tǒng)的工作距離和數(shù)值孔徑較大，所以會對軸向像差產(chǎn)生較大的影響，故應(yīng)對該系統(tǒng)的軸向像差進(jìn)行校正。（1）球差和位置色差的校正。系統(tǒng)采用不同材料的正負(fù)透鏡組合來校正球差和位置色差，其正透鏡光焦度為Φ1，負(fù)透鏡光焦度為Φ2，初級色差系數(shù)為∑CⅠ=h21ν1Φ1+h22ν2Φ2。由于Φ1與 Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的位置色差要比單一透鏡組的位置色差小，并且正負(fù)透鏡的色散系數(shù)差別越大，越有利于對其校正。（2）場曲的校正。由于視頻顯微鏡是由前組正透鏡與后組負(fù)透鏡組成，故其光焦度為正、負(fù)光焦度分離，分別為Φ1和Φ2。設(shè)其間距為d，則總體光焦度Φ=Φ1+Φ2-dΦ1Φ2。若假設(shè)兩個透鏡組的折射率相同，則其初級場曲系數(shù)∑SⅣ=j2（Φ1+Φ2）/n=j2（Φ+dΦ1Φ2）/n。由于Φ1與Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的場曲要比單一透鏡組的場曲小[2]。（3）像散的校正。在選擇初始結(jié)構(gòu)時，使正組中存在雙膠合或雙分離透鏡系統(tǒng)，并且正透鏡在前負(fù)透鏡在后。從而可產(chǎn)生符號相反的像散，來抵消系統(tǒng)的原有像散。但同時可能會產(chǎn)生一些高級像差，為了使高級像差減少，可以選擇玻璃折射率差和色散差盡量大的膠合透鏡[3]。

1.2反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

（1）反射式系統(tǒng)像差。反射式系統(tǒng)不存在色差和二級光譜的問題。對于球面反射鏡，當(dāng)光闌處于球心時，系統(tǒng)沒有色差、彗差、像散和畸變，只存在球差和場曲。

（2）中心遮攔。中心遮攔問題是反射式光學(xué)系統(tǒng)尤其是卡式系統(tǒng)中最常見的問題，中心遮攔對反射式成像系統(tǒng)的影響較大。在低頻時，存在中心遮攔會使MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）下降；在高頻時，存在中心遮攔會使MTF上升。此外，中心遮攔還對光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和光能量分布有影響。中心遮攔越大，衍射斑越小，分辨本領(lǐng)越高，但圖像的對比度會下降。

（3）需要非球面。由于反射系統(tǒng)（如卡式系統(tǒng)）中僅存在兩個表面，表面的個數(shù)較少，對于像差的控制數(shù)量是不夠的，所以在卡式系統(tǒng)中，絕大多數(shù)需使用非球面。

（4）視場小。反射系統(tǒng)的視場通常比折射系統(tǒng)的視場小。

1.3折反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

折反射物鏡在增大視場、增大數(shù)值孔徑、定中心精度和降低中心遮攔等方面優(yōu)越于純反射物鏡。消色差的近于無光焦度透鏡組常用來作為提高數(shù)值孔徑的前置補償器。它的球差曲線可與反射鏡的球差曲線相互抵消。在顯微鏡中使用反射或折反系統(tǒng)的情況主要有兩種。一種情況是用于近紅外或紫外的系統(tǒng)。由于能夠透過近紅外或紫外的光學(xué)材料較少，因此較難設(shè)計出高性能的光學(xué)系統(tǒng)，故需要使用反射或折反射系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中起會聚作用的主要是反射系統(tǒng)。為了補償反射面的像差，需加入一定數(shù)量的補償透鏡，組成折反射系統(tǒng)。使用折反射系統(tǒng)的另一種情況是為了增加顯微鏡的工作距離。由于反射鏡能折疊光路，因此能夠組成一種倍率高、筒長小而工作距離長的顯微物鏡系統(tǒng)。本文主要應(yīng)用折反射系統(tǒng)可增加顯微鏡的工作距離的特點，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計[4]。

2優(yōu)化設(shè)計

2.1光學(xué)設(shè)計指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為：工作距離84.5 mm，視場直徑1.2 mm，主波長587 nm，工作波段486～656 nm，數(shù)值孔徑0.16，放大倍率5倍。

2.2CCD參數(shù)

2.3折射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

綜合考慮工作距離的長短、透鏡邊緣厚度、面型加工的難易之后，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最后完成5倍視頻顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)。圖1是設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)的特征是在鏡座內(nèi)設(shè)置有5片物鏡和一固定光闌。從物方數(shù)起，第一片物鏡和第二片物鏡組合為一膠合透鏡，使軸外光束經(jīng)膠合透鏡后與主軸斜角大大地減小，物鏡3、5均為彎月負(fù)透鏡，物鏡4為雙凸透鏡，光闌位于物鏡4與物鏡5之間。

2.4折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的總長不宜過長，將圖1中的第五片透鏡換成卡塞格林系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，系統(tǒng)的總長比圖1中總長減小了近100 mm[5]。球差特性曲線如圖3所示，可以看出，各視場的球差和色差均很小。點列圖如圖4所示，各視場的彌散斑尺寸均接近愛里斑半徑。

4結(jié)論

分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并提供了設(shè)計指標(biāo)、CCD參數(shù)及設(shè)計實例。通過合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計，并考慮加工工藝和結(jié)構(gòu)成本要求，獲得了一種長工作距視頻顯微鏡頭，其結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、成像質(zhì)量好以及具有較高的分辨率。目前，已完成該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和鏡頭的試制，若樣機性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，有望在長工作距離的觀察中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌.大視場顯微鏡的設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2003，25（4）：81-83.

[2]張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：284-289.

[3]王文生.應(yīng)用光學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010：183-188.

[4]王之江，顧培森.現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)手冊（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：290-295.

[5]劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：120-121.

摘要： 視頻顯微鏡隨著CCD探測器的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用。但其工作距離受以往折射式光學(xué)系統(tǒng)的限制，工作距離較短，影響了其應(yīng)用范圍。分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并結(jié)合其長工作距離，利用光學(xué)設(shè)計軟件Zemax進(jìn)行光學(xué)成像效果的仿真，給出了工作距84.5 mm，數(shù)值孔徑0.16，光學(xué)放大倍率5倍，物方線視場1.2 mm，分辨率7.7 μm的折反射式顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 視頻顯微鏡； 長工作距； 光學(xué)設(shè)計； 折反射式

中圖分類號： TB 133文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.010

引言

視頻顯微系統(tǒng)是將觀測物通過高清晰視頻顯微鏡成像在CMOS或CCD靶面上，并將視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號儲存在計算機中或?qū)D像顯示在監(jiān)視器上。結(jié)合測量軟件，可對觀測物進(jìn)行定量檢測，從而代替人眼，以便長時間觀察[1]。

視頻顯微鏡與傳統(tǒng)的顯微鏡相比，具有工作距離長、分辨率高、視場大、景深大、清晰度高等特點，在檢測領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于視頻顯微鏡是高清晰工業(yè)顯微系統(tǒng)的重要組成部分，因此，視頻顯微鏡具有較大的市場需求量。然而，國內(nèi)視頻顯微鏡頭的發(fā)展較落后，產(chǎn)品規(guī)格少，大多數(shù)產(chǎn)品存在著視場小、分辨率低、工作距離短等缺點。例如：在MA1045-Z系列視頻顯微系統(tǒng)中，最長的工作距只有45 mm，而在特殊場合需要有更長工作距的顯微系統(tǒng)。因此，研究長工作距視頻顯微鏡具有重要的現(xiàn)實意義。

1光學(xué)系統(tǒng)特點

1.1折射式光學(xué)系統(tǒng)特點

由于該系統(tǒng)具有較小的視場，因此有較小的垂軸像差。但因系統(tǒng)的工作距離和數(shù)值孔徑較大，所以會對軸向像差產(chǎn)生較大的影響，故應(yīng)對該系統(tǒng)的軸向像差進(jìn)行校正。（1）球差和位置色差的校正。系統(tǒng)采用不同材料的正負(fù)透鏡組合來校正球差和位置色差，其正透鏡光焦度為Φ1，負(fù)透鏡光焦度為Φ2，初級色差系數(shù)為∑CⅠ=h21ν1Φ1+h22ν2Φ2。由于Φ1與 Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的位置色差要比單一透鏡組的位置色差小，并且正負(fù)透鏡的色散系數(shù)差別越大，越有利于對其校正。（2）場曲的校正。由于視頻顯微鏡是由前組正透鏡與后組負(fù)透鏡組成，故其光焦度為正、負(fù)光焦度分離，分別為Φ1和Φ2。設(shè)其間距為d，則總體光焦度Φ=Φ1+Φ2-dΦ1Φ2。若假設(shè)兩個透鏡組的折射率相同，則其初級場曲系數(shù)∑SⅣ=j2（Φ1+Φ2）/n=j2（Φ+dΦ1Φ2）/n。由于Φ1與Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的場曲要比單一透鏡組的場曲小[2]。（3）像散的校正。在選擇初始結(jié)構(gòu)時，使正組中存在雙膠合或雙分離透鏡系統(tǒng)，并且正透鏡在前負(fù)透鏡在后。從而可產(chǎn)生符號相反的像散，來抵消系統(tǒng)的原有像散。但同時可能會產(chǎn)生一些高級像差，為了使高級像差減少，可以選擇玻璃折射率差和色散差盡量大的膠合透鏡[3]。

1.2反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

（1）反射式系統(tǒng)像差。反射式系統(tǒng)不存在色差和二級光譜的問題。對于球面反射鏡，當(dāng)光闌處于球心時，系統(tǒng)沒有色差、彗差、像散和畸變，只存在球差和場曲。

（2）中心遮攔。中心遮攔問題是反射式光學(xué)系統(tǒng)尤其是卡式系統(tǒng)中最常見的問題，中心遮攔對反射式成像系統(tǒng)的影響較大。在低頻時，存在中心遮攔會使MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）下降；在高頻時，存在中心遮攔會使MTF上升。此外，中心遮攔還對光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和光能量分布有影響。中心遮攔越大，衍射斑越小，分辨本領(lǐng)越高，但圖像的對比度會下降。

（3）需要非球面。由于反射系統(tǒng)（如卡式系統(tǒng)）中僅存在兩個表面，表面的個數(shù)較少，對于像差的控制數(shù)量是不夠的，所以在卡式系統(tǒng)中，絕大多數(shù)需使用非球面。

（4）視場小。反射系統(tǒng)的視場通常比折射系統(tǒng)的視場小。

1.3折反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

折反射物鏡在增大視場、增大數(shù)值孔徑、定中心精度和降低中心遮攔等方面優(yōu)越于純反射物鏡。消色差的近于無光焦度透鏡組常用來作為提高數(shù)值孔徑的前置補償器。它的球差曲線可與反射鏡的球差曲線相互抵消。在顯微鏡中使用反射或折反系統(tǒng)的情況主要有兩種。一種情況是用于近紅外或紫外的系統(tǒng)。由于能夠透過近紅外或紫外的光學(xué)材料較少，因此較難設(shè)計出高性能的光學(xué)系統(tǒng)，故需要使用反射或折反射系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中起會聚作用的主要是反射系統(tǒng)。為了補償反射面的像差，需加入一定數(shù)量的補償透鏡，組成折反射系統(tǒng)。使用折反射系統(tǒng)的另一種情況是為了增加顯微鏡的工作距離。由于反射鏡能折疊光路，因此能夠組成一種倍率高、筒長小而工作距離長的顯微物鏡系統(tǒng)。本文主要應(yīng)用折反射系統(tǒng)可增加顯微鏡的工作距離的特點，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計[4]。

2優(yōu)化設(shè)計

2.1光學(xué)設(shè)計指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為：工作距離84.5 mm，視場直徑1.2 mm，主波長587 nm，工作波段486～656 nm，數(shù)值孔徑0.16，放大倍率5倍。

2.2CCD參數(shù)

2.3折射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

綜合考慮工作距離的長短、透鏡邊緣厚度、面型加工的難易之后，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最后完成5倍視頻顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)。圖1是設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)的特征是在鏡座內(nèi)設(shè)置有5片物鏡和一固定光闌。從物方數(shù)起，第一片物鏡和第二片物鏡組合為一膠合透鏡，使軸外光束經(jīng)膠合透鏡后與主軸斜角大大地減小，物鏡3、5均為彎月負(fù)透鏡，物鏡4為雙凸透鏡，光闌位于物鏡4與物鏡5之間。

2.4折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的總長不宜過長，將圖1中的第五片透鏡換成卡塞格林系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，系統(tǒng)的總長比圖1中總長減小了近100 mm[5]。球差特性曲線如圖3所示，可以看出，各視場的球差和色差均很小。點列圖如圖4所示，各視場的彌散斑尺寸均接近愛里斑半徑。

4結(jié)論

分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并提供了設(shè)計指標(biāo)、CCD參數(shù)及設(shè)計實例。通過合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計，并考慮加工工藝和結(jié)構(gòu)成本要求，獲得了一種長工作距視頻顯微鏡頭，其結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、成像質(zhì)量好以及具有較高的分辨率。目前，已完成該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和鏡頭的試制，若樣機性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，有望在長工作距離的觀察中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌.大視場顯微鏡的設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2003，25（4）：81-83.

[2]張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：284-289.

[3]王文生.應(yīng)用光學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010：183-188.

[4]王之江，顧培森.現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)手冊（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：290-295.

[5]劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：120-121.

摘要： 視頻顯微鏡隨著CCD探測器的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用。但其工作距離受以往折射式光學(xué)系統(tǒng)的限制，工作距離較短，影響了其應(yīng)用范圍。分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并結(jié)合其長工作距離，利用光學(xué)設(shè)計軟件Zemax進(jìn)行光學(xué)成像效果的仿真，給出了工作距84.5 mm，數(shù)值孔徑0.16，光學(xué)放大倍率5倍，物方線視場1.2 mm，分辨率7.7 μm的折反射式顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 視頻顯微鏡； 長工作距； 光學(xué)設(shè)計； 折反射式

中圖分類號： TB 133文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.010

引言

視頻顯微系統(tǒng)是將觀測物通過高清晰視頻顯微鏡成像在CMOS或CCD靶面上，并將視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號儲存在計算機中或?qū)D像顯示在監(jiān)視器上。結(jié)合測量軟件，可對觀測物進(jìn)行定量檢測，從而代替人眼，以便長時間觀察[1]。

視頻顯微鏡與傳統(tǒng)的顯微鏡相比，具有工作距離長、分辨率高、視場大、景深大、清晰度高等特點，在檢測領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于視頻顯微鏡是高清晰工業(yè)顯微系統(tǒng)的重要組成部分，因此，視頻顯微鏡具有較大的市場需求量。然而，國內(nèi)視頻顯微鏡頭的發(fā)展較落后，產(chǎn)品規(guī)格少，大多數(shù)產(chǎn)品存在著視場小、分辨率低、工作距離短等缺點。例如：在MA1045-Z系列視頻顯微系統(tǒng)中，最長的工作距只有45 mm，而在特殊場合需要有更長工作距的顯微系統(tǒng)。因此，研究長工作距視頻顯微鏡具有重要的現(xiàn)實意義。

1光學(xué)系統(tǒng)特點

1.1折射式光學(xué)系統(tǒng)特點

由于該系統(tǒng)具有較小的視場，因此有較小的垂軸像差。但因系統(tǒng)的工作距離和數(shù)值孔徑較大，所以會對軸向像差產(chǎn)生較大的影響，故應(yīng)對該系統(tǒng)的軸向像差進(jìn)行校正。（1）球差和位置色差的校正。系統(tǒng)采用不同材料的正負(fù)透鏡組合來校正球差和位置色差，其正透鏡光焦度為Φ1，負(fù)透鏡光焦度為Φ2，初級色差系數(shù)為∑CⅠ=h21ν1Φ1+h22ν2Φ2。由于Φ1與 Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的位置色差要比單一透鏡組的位置色差小，并且正負(fù)透鏡的色散系數(shù)差別越大，越有利于對其校正。（2）場曲的校正。由于視頻顯微鏡是由前組正透鏡與后組負(fù)透鏡組成，故其光焦度為正、負(fù)光焦度分離，分別為Φ1和Φ2。設(shè)其間距為d，則總體光焦度Φ=Φ1+Φ2-dΦ1Φ2。若假設(shè)兩個透鏡組的折射率相同，則其初級場曲系數(shù)∑SⅣ=j2（Φ1+Φ2）/n=j2（Φ+dΦ1Φ2）/n。由于Φ1與Φ2符號相反，所以組合系統(tǒng)的場曲要比單一透鏡組的場曲小[2]。（3）像散的校正。在選擇初始結(jié)構(gòu)時，使正組中存在雙膠合或雙分離透鏡系統(tǒng)，并且正透鏡在前負(fù)透鏡在后。從而可產(chǎn)生符號相反的像散，來抵消系統(tǒng)的原有像散。但同時可能會產(chǎn)生一些高級像差，為了使高級像差減少，可以選擇玻璃折射率差和色散差盡量大的膠合透鏡[3]。

1.2反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

（1）反射式系統(tǒng)像差。反射式系統(tǒng)不存在色差和二級光譜的問題。對于球面反射鏡，當(dāng)光闌處于球心時，系統(tǒng)沒有色差、彗差、像散和畸變，只存在球差和場曲。

（2）中心遮攔。中心遮攔問題是反射式光學(xué)系統(tǒng)尤其是卡式系統(tǒng)中最常見的問題，中心遮攔對反射式成像系統(tǒng)的影響較大。在低頻時，存在中心遮攔會使MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）下降；在高頻時，存在中心遮攔會使MTF上升。此外，中心遮攔還對光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和光能量分布有影響。中心遮攔越大，衍射斑越小，分辨本領(lǐng)越高，但圖像的對比度會下降。

（3）需要非球面。由于反射系統(tǒng)（如卡式系統(tǒng)）中僅存在兩個表面，表面的個數(shù)較少，對于像差的控制數(shù)量是不夠的，所以在卡式系統(tǒng)中，絕大多數(shù)需使用非球面。

（4）視場小。反射系統(tǒng)的視場通常比折射系統(tǒng)的視場小。

1.3折反射式光學(xué)系統(tǒng)特點

折反射物鏡在增大視場、增大數(shù)值孔徑、定中心精度和降低中心遮攔等方面優(yōu)越于純反射物鏡。消色差的近于無光焦度透鏡組常用來作為提高數(shù)值孔徑的前置補償器。它的球差曲線可與反射鏡的球差曲線相互抵消。在顯微鏡中使用反射或折反系統(tǒng)的情況主要有兩種。一種情況是用于近紅外或紫外的系統(tǒng)。由于能夠透過近紅外或紫外的光學(xué)材料較少，因此較難設(shè)計出高性能的光學(xué)系統(tǒng)，故需要使用反射或折反射系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中起會聚作用的主要是反射系統(tǒng)。為了補償反射面的像差，需加入一定數(shù)量的補償透鏡，組成折反射系統(tǒng)。使用折反射系統(tǒng)的另一種情況是為了增加顯微鏡的工作距離。由于反射鏡能折疊光路，因此能夠組成一種倍率高、筒長小而工作距離長的顯微物鏡系統(tǒng)。本文主要應(yīng)用折反射系統(tǒng)可增加顯微鏡的工作距離的特點，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計[4]。

2優(yōu)化設(shè)計

2.1光學(xué)設(shè)計指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為：工作距離84.5 mm，視場直徑1.2 mm，主波長587 nm，工作波段486～656 nm，數(shù)值孔徑0.16，放大倍率5倍。

2.2CCD參數(shù)

2.3折射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

綜合考慮工作距離的長短、透鏡邊緣厚度、面型加工的難易之后，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最后完成5倍視頻顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)。圖1是設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)的特征是在鏡座內(nèi)設(shè)置有5片物鏡和一固定光闌。從物方數(shù)起，第一片物鏡和第二片物鏡組合為一膠合透鏡，使軸外光束經(jīng)膠合透鏡后與主軸斜角大大地減小，物鏡3、5均為彎月負(fù)透鏡，物鏡4為雙凸透鏡，光闌位于物鏡4與物鏡5之間。

2.4折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的總長不宜過長，將圖1中的第五片透鏡換成卡塞格林系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，系統(tǒng)的總長比圖1中總長減小了近100 mm[5]。球差特性曲線如圖3所示，可以看出，各視場的球差和色差均很小。點列圖如圖4所示，各視場的彌散斑尺寸均接近愛里斑半徑。

4結(jié)論

分析了長工作距視頻顯微鏡的像差特點，并提供了設(shè)計指標(biāo)、CCD參數(shù)及設(shè)計實例。通過合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計，并考慮加工工藝和結(jié)構(gòu)成本要求，獲得了一種長工作距視頻顯微鏡頭，其結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、成像質(zhì)量好以及具有較高的分辨率。目前，已完成該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和鏡頭的試制，若樣機性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，有望在長工作距離的觀察中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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