光学设计 第16章 显微镜物镜设计
第十六章 显微镜物镜设计
显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远，供人眼观察。
在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为mm 190左右，我国规定为mm 195。如图16－1所示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。
还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16－2所示。筒镜透镜的焦距，我国规定为mm 250。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：
物
f 250-
=β
整个显微镜的性能，也就是它的视放大率和衍射分辨率，主要是由显微镜物镜决定。
图16－1 显微镜系统
图16－2 无限筒长显微镜系统
§1 显微镜物镜的光学特性
一 显微镜物镜的倍率
显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率β。由于显微镜是实物成实像，因此β为负值，但一般用β的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距L 一定的条件下，β与物镜的焦距存在以下关系：
L f ?--=
2
)
1(ββ物
对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为：
β
250
-
=物f
式中，β为负值。
无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率β的绝对值越大，焦距物f 越短。所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。
二 显微镜物镜的数值孔径
数值孔径U n NA sin ?=，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率δ，根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式：
NA
λδ61.0=
公式中，δ代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；λ为光的波长，对目视光学仪器来说，取平均波长nm mm 5000005.0==λ；NA 为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的分辨率，必须增大数值孔径NA 。
显微镜物镜的倍率β、数值孔径NA 、显微镜目镜的焦距目f 与系统出射光瞳直径/D 之间满足以下关系：
目
目＝
Γ?
?=
250/
β
β
NA
f NA
D
式中，目Γ为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于
mm 1。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率目Γ越小，就要求物镜有更高的倍率β，但是
物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用造成不方便，因此一般希望尽量提高目镜的倍率，但目镜由于受到出射光瞳距离的限制，焦距不能太小，通常目镜的最高倍率为
?15，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。
数值孔径NA 与相对孔径之间近似符合以下关系：
NA f
D ?=2/
一个25.0=NA 的显微镜物镜
2
1/
≈
f
D ，高倍率的显微镜物镜（不包括浸液物镜），其数值
孔径最大可能达到95.0，其相对孔径可以达到2。
相对孔径大，是显微镜物镜的一个特点。
三 显微镜的视场
显微镜的视场是由目镜的视场决定的，一般显微镜的线视场/2y 不大于mm 20。对无限筒长的显微镜来说，筒镜的物方视场角为：
/
3.20
4.0250
10＝，＝＝
筒
ωωf y
tg =
筒镜的物方视场角就是物镜的像方视场角，因此物镜的视场角ω2一般不大于05。
视场小，也是显微镜物镜的一个特点。
四 显微镜物镜设计中应校正的像差
根据显微镜物镜的光学特性，它的视场小，而且焦距短，因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差，即球差、正弦差、轴向色差。
对于较高倍率的显微镜物镜，由于数值孔径加大、相对孔径比望远镜物镜大得多，因此还要校正孔径的高级像差，如高级球差、高级正弦差、色球差。
对于轴外像差，如像散、倍率色差，由于视场比较小，而且一般允许视场边缘的像质下降，因此在设计中，只有在优先保证前三种像差校正的前提下，在可能的条件下加以考虑。 对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜，如用于显微摄影的物镜，要求整个视场成像质量都比较清晰，除了校正球差、正弦差、轴向色差外，还要求校正场曲、像散、垂轴色差，这种物镜就是平像场物镜。
由于显微镜属于目视光学仪器，因此它同样对F 光和C 光消色差，对D 光校正单色像差。
§2 显微镜物镜的类型
根据校正情况不同，显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。
一 消色差物镜
这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜。在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差，而不校正二级光谱色差，所以称为消色差物镜。这类物镜，根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍、浸液物镜。
1 低倍消色差物镜
这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小，视场较小的情况。一般倍率大约为
??4~3，数值孔径在1.0左右，对应的相对孔径大约为41左右。由于相对孔径不大，视
场比较小，只要求校正球差、慧差、轴向色差。因此这类物镜一般都采用最简单的双胶合透镜作为物镜。
它的设计方法与一般的双胶合望远镜物镜的设计方法十分相似，不同的只是物体的位置不在无限远，而是位于有限距离。求解的关键是选择合适的玻璃组合，以便同时校正三种像差。
2 中倍消色差物镜
这类物镜的倍率大约为??12~8，数值孔径为3.0~2.0。最常用的为：数值孔径
25.0=NA ，倍率?=10β。
由于物镜的数值孔径加大，对应的相对孔径增加，孔
径高级球差将大大增加，采用一个双胶合透镜已经不能满足要求。为了减小孔径高级球差，这类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合，如图16－3所示，称为李斯特物镜。
如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差，即双胶合透
镜的0=∑ν?，这样整个物镜能同时校正轴向色差和 图16－3 李斯特物镜 倍率色差。
两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这是因为如果两个透镜组密接，则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当，仍然只能校正两种单色像差，如果两个透镜组分离，则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统，最多可能校正四种单色像差，这就增加了系统校正像差的可能性，因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外，还有可能在某种程度上校正像散，以提高轴外物点的成像质量。
对于球差和慧差也可以各自单独校正，但那样，每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后，一般总要留有一定量的负像散，再加上系统的不可避免的场曲，使得像面弯曲加重。所以还是两个双胶合透镜的球差、慧差相互补偿为好，这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同时，产生一定量的正像散以补偿场曲。
这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”，象求解望远镜物镜那样用解析法求出其结构。
也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计。在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下，对前、后双胶合透镜选几种弯曲，求出球差、慧差值，作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而改变的曲线。在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差相互补偿的弯曲。如果玻璃选择的恰当，总可以找出前、后双胶合透镜相互补偿的解。
3 高倍消色差物镜
这类物镜的倍率大约为??60~40左右，数值孔径大约为8.0~6.0左右，这类物镜的结构如图16－4所示，称为阿米西物镜。它们可以看作是在李斯特物镜的基础上，加上一个或两个由无球差、无慧差的单会聚透镜而构成。所加的半球形透镜（前片），一般第
一面是平面，第二面是齐名面，即轴上物点的光线经过平面折射以后与光轴的交点位于第二面的齐名点
上。 图16－4 阿米西物镜
利用这种半球形透镜可以增大数值孔径。如图16－5所示，如果入射到平面上的光线的孔径角为1U 、经过平面折射后的像方孔径角为2/1U U =、经过等晕面（第二面）折射后的像方孔径角为/2U ，则第一面折射后，有：
n
U I n n I U 1
/
1/
1
11/
1sin sin sin sin =
?=
=
对于第二面，等晕成像公式为：
n
n n I
I U U 1s i n s i n s i n s i n 2
/
2/2
22
/
2=
=
=
由此得到 2
1
/
12/2
s i n s i n s i n s i n n
U n U n U U
=
=
=
可见，显微镜物镜的后片能够接收的孔径角/2U ，实际上对于物体来说孔径角可以为1U ，这
样，可以使显微镜物镜的后片的数值孔径增大到2n 倍。
图16－5 阿米西物镜中等晕透镜的作用
在图16－4（a ）中，前片透镜是由一个齐名面和一个平面构成的，齐名面不产生球差和慧差，如果把物平面与前片的第一面（平面）重合，也不产生球差和慧差，但为了工作方便，实际物镜与物平面之间需要留有一定的间隙，这样，透镜的第一面就将产生少量的球差和慧差，它们可以由后面的两个双胶合透镜组进行补偿，前片的色差也同样需要后面的两个双胶合透镜组进行补偿。
在图16－4（b ）中，第一个透镜是由一个齐名面和一个平面构成的，不产生球差和慧差。第二个透镜也是由一个齐名面和一个平面构成的，它的第一面产生的少量球差和慧差，以及两个透镜的色差，由后面的两个双胶合透镜组进行补偿。
这种物镜的设计方法，一般是首先根据要求的倍率和数值孔径确定前组的结构，计算出它们的像差，作为后面两个双胶合透镜组的像差补偿要求，然后进行后组的设计。 4 浸液物镜
显微镜物镜的分辨率决定于其数值孔径。为了提高显微镜物镜的分辨率，除了增加孔径角U sin 外，还可以提高物方介质的折射率n 。普通显微镜，物点位于空气中，1=n ，其数值孔径U n NA sin ?=不可能大于1。为了提高数值孔径，可以在物体与物镜之间充以
液体，使液体折射率与盖玻片折射率相近，这样就可以认为显微镜物方介质就是该液体，数值孔径表示式中的n就是该液体的折射率，一般可达1.5以上，这就可以大大提高了数值孔径。
这种显微镜物镜的实际结构如图16－6所示，称为阿贝浸液物镜。第一片为盖玻片，盖在被观察的物体上面。盖玻片与前片之间充满油液，通常用杉木油，其折射率15
n。
=
.1
其数值孔径可以达到3.1
100。
.1，倍率为?
~
25
图16－6 阿贝油浸物镜
二复消色差物镜
在一般的消色差显微镜物镜中，物镜的二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高越来越严重，因此在高倍的消色差显微镜物镜中二级光谱往往成为影响成像质量的主要因素，因为二级光谱对应的几何像差数值近似与物镜的焦距成正比，随着物镜倍率的增加，表面上二级光谱色差随着焦距的缩短而减小，但是一定的几何像差数值对应的波像差近似与数值孔径的平方成比例，因此总起来，随着倍率和数值孔径的提高，二级光谱色差所对应的波像差增大。因此在一些质量要求特别高的显微镜中，就要求校正二级光谱色差，称为复消色差物镜。
在显微镜物镜中校正二级光谱色差通常采用特殊的光学材料，早期的复消色差物镜中都采用萤石（氟化钙）（5.
=ν
n），它与一般重冕牌玻璃有相同的部分相对色
.1=
95
43385
,
散，同时具有足够的色散差和折射率差。复消色差物镜的结构一般比相同数值孔径的消色差物镜复杂，因为它要求孔径高级球差和色球差也应得到很好的校正。如图16－7为不同倍率和数值孔径的复消色差物镜的结构，图中划斜线的透镜就是由萤石做成的。
由于萤石的工艺性和化学稳定性不好，同时晶体内部有内应力，因此目前很少采用，而改用FK（氟冕玻璃）类和TK（特种冕玻璃）类玻璃。它们结构同样比较复杂。
复消色差物镜往往有较大的剩余倍率色差，要求与具有反号倍率色差的目镜配合使用，这样的专用目镜称为补偿目镜。
近年，国际上出现了一种消倍率色差的所谓CF物镜。这类物镜结构相当复杂，如图16－8为民主德国的CF物镜。
三平像场物镜
前面讲的所有物镜都没有校正场曲。对于高倍率的显微镜物镜，由于它的焦距很短，尽管它的视场不大，但仍然有严重的场曲存在，所以一般高倍显微镜物镜的清晰视场是十分有限的，只有在视场中心很小范围内才是成像清晰的。对于要求有较大的清晰视场的情况，如显微照相，就要求校正物镜的场曲和像散，主要校正匹兹万和。这样的显微镜物镜可以作到在较大的视场内像场较平，成像清晰，称为平像场物镜。
校正场曲的方法主要是在靠近物面和像面的地方加入负光焦度，可以产生负的匹兹万和而对偏角影响不大。或者加入若干厚的弯月形透镜。
由于显微镜物镜孔径角很大，再加上平像场要求，使得平像场物镜的结构特别复杂。平像场物镜的基本型式如图16－9所示。
图16－7 复消色差物镜
图16－8 民主德国的CF物镜
图16－9 平像场物镜
四 平场复消色差物镜
在高级研究用显微镜中，既要求有较大的视场，又要求有优良的像质，平场复消色差物镜就是为了满足以上要求发展起来的。它是在平像场物镜中引入部分萤石代替冕牌玻璃。目前，由于氟冕玻璃等的问世，它有取代萤石（氟化钙）的趋势。
平场复消色差物镜在色球差和二级光谱方面都得到较大改善，数值孔径也较普通物镜大。对波长从m μ434.0到m μ656.0光谱区域的像差校正。此类物镜最理想，它既有复消色差物镜的性能，又具有平像场物镜的优点，是目前显微镜发展的方向。
如图16－10所示为民主德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构。图16－11是联邦德国莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构。图16－12为苏联平场复消色差物镜系列的光学结构。图16－13为日本奥林巴斯的平场复消色差物镜系列的光学结构。
图16－10 民主德国蔡司平像场复消色差物镜
图16－11 联邦德国莱茨平像场复消色差物镜
图16－12 苏联平像场复消色差物镜
图16－13 日本平像场复消色差物镜
五 反射和折反射物镜
反射和折反射显微镜物镜比折射式物镜有两个明显的优点：一是容易得到长的工作距离，可以有比焦距大几倍的工作距离；另一个优点是可以有比较宽的消色差谱线范围，并可在光谱的红外和紫外区工作。
反射镜不产生色差，在红外和紫外区也可以工作。而对折射物镜，由于能透过红外和紫外的光学材料很少，难于设计出性能良好的物镜。在折反射物镜中，主要的光焦度由反射镜承担，再加上若干校正透镜校正反射镜的像差，这些校正透镜一般口径不大，可以采用特殊光学材料。
反射和折反射物镜的缺点是存在中心栏光，入射光瞳为环形，使得物镜对于低对比度物体的分辨率下降。另一个缺点是反射面的加工要求高，物镜的装校困难。
如图16－14是一种典型的反射式物镜，5.0=NA ，倍率?50，可以在紫外到红外波段范围内工作。图16－15是一种典型的折反射式物镜，5.0=NA ，倍率?40，工作距离为mm 18。图16－16是一种折反射式物镜，72.0=NA ，倍率?53，可以在紫外波段范围内工作。
图16－14 反射式物镜
图16－15 折反射式物镜
图16－16 用于紫外波段的折反射式物镜
§3 低倍消色差显微镜物镜设计
低倍消色差显微镜物镜，一般倍率大约为??4~3，数值孔径在1.0左右，对应的相对孔径大约为41左右。由于相对孔径不大，视场比较小，采用最简单的双胶合透镜作为物镜。只要求校正球差、慧差、轴向色差。
一 低倍显微镜物镜的设计大体步骤
1 由物镜的倍率β和物像之间的共轭距L 的要求，确定双胶合物镜的焦距/f 、物距l 、像距/l 。如图16－17所示，首先假定物镜为一个薄透镜。由图可以得到：
/
l l L +-=、l
l
/
=
β、
l
l
f
111/
/
-
=
由此，可以得到：
1
-=
βL
l ，L l L l ?-=
+=1
/
ββ，L l
l l
l f
?--
=-?=
2
/
//
)
1(ββ
图16－17 低倍显微镜双胶合物镜的初始结构
2 求P 、W 、ⅠC 的规化值∞P 、∞
W 、ⅠC 。
由于显微镜一般配备一组不同放大倍率的物镜和一组不同放大倍率的目镜，因此在设计显微镜物镜时，一般不能考虑物镜与目镜之间的像差补偿问题，而是分别进行校正，一般要求0=ⅠS 、0=ⅡS 、0=ⅠC 。这样，可以求出双胶合物镜的P 、W ： 0==
h
S P Ⅰ
、0=?-=
J P
h S W p Ⅱ
因此P 、W 、ⅠC 的规化值为：
0)
(3
=Φ?=
h P P ，0)
(2
=Φ?=
h W W ，02
=Φ
?=
h C C ⅠⅠ
由此可以算出规化值∞P 、∞
W
：
)25()25()14(2
112
11μμ?+?+=?+?+-??-=∞u u u W u P P )2()2(11μμ+?-=+?-=∞
u u W W
式中， l
f l f h u u /
1
/
11==
Φ
?=
另外，一般取7.0=μ。
3 由∞P 、∞
W
求0P
低倍显微镜物镜的双胶合透镜的形状大致是一个前面半径大后面半径小的双凸透镜，因此取火石玻璃在前冕牌玻璃在后较为有利，这样胶合面半径较大，一方面便于加工，另一方面可以减小高级像差。火石玻璃在前，则2.00=W ，因此： 2
0)2.0(85.0-?-=∞
∞
W
P
P
4 根据0P 和ⅠC 值选玻璃。
可以从表中查到几对较好的玻璃组合，找到0P 、1?、0Q 、0W 。 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值
35.20
0P P
Q Q -±
=∞
，和67
.10
0W W
Q Q --
=∞
由前一个公式可以求出两个Q 值，选取与第二式求出的Q 值相近的一个，然后它们取平均，
作为Q 值。
6 由Q 、1?值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值
Q r +=12
1?，
Q n n r n r +-?=
+-=
1
11
11112111??， 1
11
1
11
111
112212211212
222
33
--
+-?=---
+=---=
--
=
=n Q n n n Q n r n r C r ?????
7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值
将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距/f ，得到曲率半径的实际值：
/
11f r R ?=、/22f r R ?=、/
33f r R ?=
8 对双胶合透镜加厚度 9 验算像差
物镜的结构得出后，即可以用光线光路计算的方法，计算此结构的像差，进行像质评价。如果像质不合格，可以对结构进行一定的修改，直至像质合格为止。
图16－18 低倍显微镜双胶合物镜的像差计算
在设计显微镜物镜时，计算像差通常按反方向光路进行，如图16－18所示。这样作的好处是，像距（反向光路的物距）一般为物镜焦距的若干倍，而物距（反向光路的像距）比较小。如果按正向光路计算像差，在修改像差过程中，由于透镜的焦距和主面位置的少量变化可能造成像距的大量改变，因而使倍率和共轭距都大大地偏离实际要求，有时甚至可能造成虚像。如果按反方向光路计算像差，在物距固定的情况下，透镜组的焦距和主面位置的少量变化，对倍率和共轭距影响很小，同时这样作还有利于提高像差的计算精度。
10 缩放共轭距
当物镜像质合格后，由于加入厚度及修改结构，其共轭距可能与要求值有所不同，此时需要进行共轭距缩放。即将双胶合物镜的各个曲率半径、中心厚度、边缘厚度乘以一个缩放系数K ，K 是所要求的共轭距与所求出的共轭距的比值。
二 设计举例
设计一个双胶合低倍消色差显微镜物镜。 要求倍率3=β（实际为3-=β），数值孔径1.0=NA ，共轭距mm L 180=。 1 求物距、像距、焦距
45131801-=--=-=βL l ，
135451801
/
=-=?-=
+=L l L l ββ，
75.33135
4513545)
1(2
/
//
=--?-=
?--
=-?=
L l
l l
l f
ββ
2 求∞P 、∞
W
、ⅠC
75.045
75.33/
1
/
11-=-=
=
=
Φ
?=
l
f l f h u u
取7.0=μ，则：
85.2)25()25()14(2
112
11=?+?+=?+?+-??-=∞μμu u u W u P P 025.2)2()2(11=+?-=+?-=∞
μμu u W W
0=ⅠC
3 求0P 值
选择火石玻璃在前，则
02.0)
2.0025.2(85.085.2)
2.0(85.02
2
0=-?-=-?-=∞
∞
W
P
P
4 根据0P 值ⅠC ，选择玻璃对
根据02.00=P 、0=ⅠC ，查表，选玻璃组合91K ZF -，其对应于0=ⅠC 的
062.00=P ，与要求的接近，而且9K 和2ZF 为常用玻璃。
同时查得0441.50=Q 、123.11-=?、6725.11=n 、5163.12=n 、234.00=W 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值：
972.367
.1234
.0025.20441.567.10
0=--
=--
=∞
W W
Q Q
6 由Q 、1?值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值：
849.2972.3123.1112
=+-=+=Q r ?
114.1849.21
6475.1123.11112
111=+--=
+
-=r n r ?
263.11
5163.1123.11849.21
11222
3
-=-+-
=--
=
n r r ?
7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值：将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距mm f
75.33/
=，得到曲率半径的实际值：
30.30114.175.33/
11==
?=f r R 85.11849.275.33/
22==?=f r R 72.26263
.175
.33/
33-=-=
?=f
r R
8 透镜加厚度
根据求得的半径和通光口径的要求，确定两个透镜的厚度： 11=d ，5.32=d 9 验算像差
几何像差的计算列于下表：
h
/LA
/
SC
/
FC L ?
1.0 0.707 0
0.207 0.043 0
－0.00082 －0.000267 0
0.111 0.033 －0.0312
这一结果表明，球差、轴向色差尚未校正好，需要进行微量校正。校正的结果为： 22.301=R ，1.122=R ，5.263-=R ，11=d ，5.32=d ，
932.33/
=f
，47.43/
=l
10 缩放共轭距
根据加上透镜厚度后的数据，计算得到共轭距变化为
97.18247.430.15.3135/
21=+++=+++-=l d d l L ，
得到缩放因子：
984.097
.182180==
K
缩放后，各个折射面的曲率半径为74.291=r 、91.112=r 、08.263-=r 。
§4 中倍消色差显微镜物镜设计
中倍消色差显微镜物镜通常由两个分离的双胶合透镜组成，这类物镜也称之为李斯特(Lister)物镜，它的倍率在?
?
10~6之间，数值孔径NA 为3.0~2.0。
这种物镜的像差校正方式通常有两种。
第一种是两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差，这种校正方案的优点是：两个双胶合透镜组合在一起则为一个中倍物镜，移去—个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用。按这种方案校正的物镜的像散和场曲无法校正。
另一种校正方案是两个双胶合透镜的像差不是单独校正的。为了校正像散，两个双胶合透镜各有一定量的球差和慧差(当然二者合起来还是校正球差和慧差的)。利用这些球差、慧差以及两透镜的间隔来校正像散，很显然，这种结构可以消像散，成像质量较高，但对透镜间隔的变化比较敏感。
中倍消色差显微镜物镜的设计也是建立在薄透镜系统的初级像差理论的基础上，利用初级像差公式求解初始结构。不过能够满足初级像差要求的解往往很多，这就要在可能的解中进行选择，找出高级像差较小的结构，计算实际像差，进行像差微量校正。
由于整个系统是由两个分离的薄透镜组构成的，由此就产生了一个如何确定每个透镜组的光焦度和它们之间的间隔问题。在显微镜中为了保证物镜和目镜的可更换性，物镜和目镜必须采取分别校正像差的方式进行设计，即要求各种像差校正到零。
由于显微物镜倍率较高，像距远大于物距，显微物镜的设计通常采用反向光路方式，即把像方的量当作物方的量来处理，如图16－19所示。李斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的原则通常是使每个双胶合透镜产生的偏角相等或者使后组的偏角略大于前组。
李斯特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜上。当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时，两个双胶合透镜的间隔大致和物镜的总焦距相等。第一个双胶合的焦距约为物镜焦距的二倍。第二个双胶合的焦距大致和物镜的总焦距相等。
图16－19 李斯特物镜设计
一 设计方法
在给定显微镜物镜的数值孔径、倍率、共轭距、线视场的条件下，物镜的设计步骤如下： 1 计算外部尺寸
由于显微镜物镜的设计是反向光路，可以由数值孔径定出出射光线的孔径角NA u =/
2，因此，物方孔径角1u 为：
β
/
2
1u u =
总偏角为： 1/
2221121u u h h u u u -=Φ?+Φ?=?+?=?
式中，111Φ?=?h u 为第一块透镜所负担的偏角，222Φ?=?h u 为第二块透镜所负担的偏角。这两个偏角需要设计者首先确定，一般可以1112222.12.1Φ?=?=Φ?=?h u h u ，这样，就可以计算出1u ?和2u ?。
由1/
11u u u -=?，可以得到
11/
12u u u u +?==
由/l l ?=β（反向光路）和l l L -=/（近似），得到物距（l ）和像距（/
l ），由此得到第一近轴光线在两个薄透镜上的入射高度：
11u l h ?=，/
2/2u l h ?= 得到光焦度分配：
1
11h u ?=
Φ，2
22h u ?=
Φ
由图16－19，可以得到：
11/
1u u u ?+=
因此，可以得到两个透镜之间的间隔：
/1
21u h h d -=
给定的线视场，就是反向光路的像高/
2y ，由此得到反向光路的物高：
/
21y y ?=β
由此可以得到拉赫不变量：
/
2111y y u n J ?=??=β
由于入射光瞳在第一块透镜处，所以01=p l ，01=p h 。由图16－19得到
12p p u u = 212p p p u d h h ?-=
这样，得到物面全部的外部参数：1Φ、2Φ、1h 、2h 、1p h 、2p h 、1u 、2u 、J 。 2 确定像差校正方程
由于要使中倍显徼镜物镜在校正了球差、彗差、像散，而且两块透镜的像差互补，则
22112
1=?+?=?=∑P h P h P
h S Ⅰ
∑∑=?+?+?+?=?+?=
2
1
2122112
1
0W J W J P h P h W J P h
S p p p
Ⅱ
222222
12
22
222
222
12
22
211
122
21112
1
2
1
2
2
1
=Φ?+Φ?+??+?=
Φ?+Φ?+??+??+?+
?=
Φ
?+??+?=
∑
∑∑
J
J W h h J P h h J
J
W h h J W h h J P h h P h h J W h
h J P h
h S p p p p p p p p Ⅲ
得到有关1P 、2P 、1W 、2W 的方程组。
另外，两个双胶合透镜分别校正色差，则01=ⅠC ，02=ⅠC 。
3 确定第二块透镜的结构
以上三个方程式中共有四个未知数，因此存在无限多个解，另外，最后一个方程式中只包含2P 、2W ，与1P 、1W 、无关，因此在上述偏角分配和空气间隔确定的情况下，系统的消像散条件只与第二个透镜组的结构有关，要使系统能够校正像散，则必须使这一方程式有解。
把2P 、2W 、2u 规化，
3
222
2)
(Φ?=
h P P ，2
2222)
(Φ?=
h W W ，2
222Φ?=
h u u
代入前面公式整理以后得：
02212=+?+A W A P
再由
)2(222
μ+?+=∞
u W W ，)23()14(2
22222
μ+?-+?+=∞∞
u W u P P
浅析光学显微镜机械结构设计
浅析光学显微镜机械结构设计 发表时间：2019-04-28T09:29:27.077Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：朱濛1 陈振波2 孔欢3 王鹏程4 姚新科5 [导读] 摘要：光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。 1、南京工程学院电力工程学院 21167； 2、南京工程学院机械工程学院 21167； 3、南京工程学院电力工程学院 21167； 4、南京工程学院建筑工程学院 21167； 5、南京工程学院自动化学院 21167 摘要：光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。光学显微镜的使用范围非常的广泛，发展至今，也衍生出了非常多的类型，本文结合光学显微镜的结构组成，从人体工程视角探索光学显微镜的机械结构设计，从使用的安全性、科学性、可靠性的角度分析了光学显微镜的机械结构设计的规范和标准。 关键词：光学显微镜；机械结构；人体工程学 光学显微镜的结构主要有光学结构和机械结构组成，机械结构的部分不仅能对光学结构有很好的固定作用，还起着关键性的调节作用，机械结构能够发挥光学系统的最大功效，辅助光学系统完成相关的显微镜观察工作。光学显微镜的机械结构的部分主要在载物台、物镜转换器以及调焦装置等，这些机械结构的设计不仅要遵循基本的机械结构设计原则，还要保证在光学显微镜中的具体的光学操作，除此之外，设计的原则还要迎合人体操作的需求，使得光学显微镜的机械结构更加的吻合人体工程学的设计要求，使得光学显微镜使用更加的舒适方便。 一、光学显微镜的基本构造 对于光学显微镜的机械设计，我们首先要了解光学显微镜的构造组成部分，而且还要知道这些零部件的作用，只有熟知了这些零部件的作用和使用规范，我们才能更加合理的设计光学显微镜的机械结构部分，光学显微镜一般是由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台的作用是放置被观察的物体，使用调焦旋钮来驱动调焦机构能完成对载物台的调节工作。聚光灯照明系统由聚光灯和光源组成，聚光灯的作用能够让光更多的聚集到被观察的部位。物镜距离载物台比较近，是第一级的放大装置。目镜则是于人眼靠近的第二级放大镜头。 这三部分是光学显微镜的重要组成部分，构成了光学显微镜的主要工作原理。 那么机械装置有哪些呢？一般光学显微镜的机械装置有镜座、镜臂、载物台、镜筒、物镜转换器、与调焦装置。这些机械装置的主要作用是固定和调节光学镜头，调节标本的位置等。其中镜座是支撑整个显微镜的装置，而镜臂则用来支撑精通和载物台。 二、基于人体工程学的光学显微镜的机械结构设计 人体工程学的设计原理主要是考虑到人体结构和机械结构尺寸，并且综合考虑到人们劳动、工作效果、工作效能等方面，利用系统工程、控制理论、统计学的原理设计出一系列的设计方法。具体到光学显微镜的机械结构设计中，我们就要考虑到人们的身体尺寸和应用习惯，首先我们从有关部分获得了我国成年人的人体部分尺寸的表格（表-1），以此为根据设计光学显微镜结构部分。 1、载物台的设计 从上面的介绍中我们知道，载物台的作用是用来放置被观察物体的，并且式样能够在载物台上自由的移动，以获取最佳的观察效果。一般的移动范围是30mm*70mm和50mm*70mm，主要的设计标准就是，载物台距离工作底面的距离于载物台和人体的水平距离，分别设为B1和B2，考虑到人在调节使用载物台的过程中的行为习惯，得出计算式。 其中y1和y2分别衣着修正指数和身体活动余量修正。同理得出B2的表达式。经过计算得出： B1=307～357mm B2=301～348mm 2、调焦机构设计 调焦机构用于调节光学结构以便于观察人员获取最佳的成像效果，调焦的动作主要包括了上下移动和粗微调节机构，如何合理的设计能够使得人在调焦的过程中更加的舒适和便捷。首先是调焦旋钮的位置，在具体的使用过程中，显微镜是放在工作台上的，我们无法获取具体的使用高度和姿势，所以我们只能将人体的上身活动分为三个维度的多个不同程度的拆解动作，分别为手肘在X、Y、Z轴上的旋转方向，并在matlab的环境下运行得出，人体的手臂舒适度域： 为了适应大多数人的使用习惯，我们从95百分位这一阶段的数据为设计的参考点，确定出调焦按钮的最佳设计尺寸，从而确定调焦按钮在光学显微镜中的位置。其次是调焦按钮的外形和尺寸，旋钮的截面形状对于人手的握持方式有着一定的影响，当旋钮和手掌的接触面积越大的时候，人手的贴合的程度越好，那么使用的手感就越好，但是太大了会让人手在长期的握持中增加疲劳感，所以对于旋钮的直径设计要求为。旋钮的直径设计保持在35mm-75mm之间，厚度的大小在20mm-50mm范围内波动。最后是旋钮的扭矩M，扭矩的大小设计也非常的重要，太大了会使握持不舒服，太小的话又不利于调焦的准确，由于人类的手部关节的操作力范围为12N-18N，根据人体工程学的计算方法得出M的大小为： 除了基本的形态和尺寸设计，我们还要考虑到载物台移动过程中的摩擦力设计，太小的摩擦力会让调节过程难以掌握精确度，阻力太大的话会增加人使用的机体劳累，所以适当的摩擦力设计也是机械结构设计中需要考虑的内容。 3、物镜转换器的设计 物镜转换器是迅速切换物镜的机械装置，有内定位和外定位两种，转换器的设计直接影响了成像的质量，根据人体工程学的原理，内定位型的转换器比较能够减轻操作的负担，同时还能节省操作台的空间，所以很多光学显微镜的采用内定位转换器，其设计也非常的满足心理学和生理学的设计要求。 结语 本文通过对光学显微镜的主要结构做了介绍，并对光学显微镜的机械部分的功能做了相应的阐述，利用人体工程学的设计理论，对光学显微镜的机械结构部分作出了具体的设计标准的研究，是符合我国当前光学显微镜制造标准的。 参考文献： [1]史红伟，石要武，杨爽等.光学显微镜自动调焦指导函数的评价与选择[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，25（2）：235-24
用zemax设计光学显微镜光学系统设计实验报告
课 程 设 计 光学显微镜设计 设计题目 学 号 专业班级 指导教师 学生姓名 测量显微镜
根据学号得到自己设计内容的数据要求： 1.目镜放大率10(即焦距25） 2.目镜最后一面到物面距离110 3.对准精度1.2微米 按照实验步骤，先计算好外形尺寸。然后根据数据要求选取目镜与物镜。 我先做物镜。因为这个镜片比较少。按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。 然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。发现“优化不了”，所有参数均没有变化。而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。我百思不得其解。开始认为镜头库的参数可能有问题。最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。焦点到节点的距离才是焦距。经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。但这个寻找是很费力气的，事倍功半。老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。 但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限
远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。不解。还是按照原来的方法。把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。然后把它与优化好的物镜拼接起来。后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。 还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。 物镜参数及优化函数
光学设计显微镜物镜设计
第十六章显微镜物镜设计 显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通 过目镜成像在无限远，供人眼观察。 在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生 产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为190m m左右，我国规定为195mm。如图16- 1所 示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。 还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16-2所示。筒镜透镜的焦距，我国规定为250mm。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为： 250 图16 — 2无限筒长显微镜系统
§ 1显微镜物镜的光学特性 一显微镜物镜的倍率 显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。由于显微镜是实物成实像，因此为负值，但一般用的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距L一定的条件下，与物镜的焦距存 在以下关系： 物 2 L (1 ) 对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为: 250 物 式中，为负值。 无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率的绝对值越大，焦距f物越短。 所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。 二显微镜物镜的数值孔径 数值孔径NA n sinU，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率，根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式： 0.61 NA 公式中，代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说， 取平均波长0.0005mm 500nm ；NA为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的 分辨率，必须增大数值孔径NA。 显微镜物镜的倍率、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距f目与系统出射光瞳直径D/之 间满足以下关系： / NA NA 250 D f s = 目 式中，目为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于 1mm。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率目越小，就要求物镜有更高的倍率，但是物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用造成不方便，因此一般希望尽量提高目 镜的倍率，但目镜由于受到出射光瞳距离的限制，焦距不能太小，通常目镜的最高倍率为 15 ，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。数值孔径NA与相对孔径之间近似符合以下关系：
光学显微镜的发展历史
光学显微镜的发展历史、现状与趋势 杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '1f
'2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 '2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1'120202β?=≤f y
40倍显微物镜光学系统的设计
目录 摘要 I Abstract II 第一章绪论 1 1.1显微镜国内外发展情况 1 1.2 ZEMAX简介及原理 1 第二章物镜设计方案 2 2.1 物镜的种类 2 2.2高倍物镜的设计方案 9 第三章物镜设计参数及镜片选择 10 3.1物镜的数值孔径 10 3.2物镜的鉴别率 11 3.3物镜的有效放大倍数 11 3.4垂直鉴别率 12 3.5显微镜的视场 12 3.6 显微镜物镜设计中应校正的像差 13 3.7实际参数确定 13 第四章40×显微镜物镜光学系统仿真过程 16 4.1选择初始结构并设置参数 16 4.2自动优化 16 4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 18 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 18 4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 19 4.6最终仿真参数分析 20 第五章心得体会 21 第六章参考文献 21 摘要 物镜是显微镜的结构组成中最为重要的光学元器件之一,它的原理则是利用光的折射成像原理，使被检测得物体通过光迹被物镜折射成像再传入人眼中,所以如何衡量一台显微镜质量的好坏，物镜的各项光学技术参数就成为了最为直接和影响成像质量的最重要的标准。物镜筒内是由分开一段距离并被固定的，一组或多组胶
合透镜组组装而成，目的是为了对像差和对像差公差的校正。物镜有许多具体的要求,比如透镜组的合轴或齐焦，因此物镜的结构极为复杂，需要具备精密的制作工艺。由于现代物镜的数值孔径（研究物镜的非常重要的一个参考数据）已经接近极限，物镜成像的视场中心的分辨率与研究的理论值几乎没有出入，也就意味着现代显微物镜已经达到了高度完善的地步，因此视场边缘的细致化与视场的增大化就成为我们现如今的研究工作。本次课设主要目的是设计出一个40×显微镜物镜光学系统。为了设计出相对完整的物镜光学系统，使得成像光斑（也就是误差）达到衍射极限，并能够完美的解决系统像差，主要的应用光学设计软件是ZEMAX，随后我们会详细介绍ZEMAX的发展历史和功能。设计显微物镜光学系统的过程就是个反复优化的过程，需要先经过计算机初步优化，系统分析，计算机调整参数，更改参数变量，再次进行优化，最终靠分析波前均方差和波像均方差等重要参数，评价模拟结果的点列图，设计出符合要求的显微物镜 关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统 Abstract The most important objective is microscope optical components, use light was the first object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard. The structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis. Modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imaging edge view, this study is still possible, still in the works. This class is mainly applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysis - fine-tuning parameters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric optics system, make whole disk image reached diffraction limit. The simulated results
简单显微镜的设计
简单显微镜的设计 教学目的 1、了解显微镜的基本光学系统及放大原理，以及视觉放大率等概念； 2、学会自组搭建简单显微镜的光路，进一步熟悉透镜的成像规律； 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。 重难点 重点：组装简单显微镜光路的设计和调节 难点：1）简单显微镜的放大原理；2）设计光路的调节 教学方法 讲授、讨论、演示相结合 学时 3学时 一、实验简介 显微镜是最常用的助视光学仪器，且常被组合在其他光学仪器中。因此，了解并 掌握它的构造原理和调整方法，了解并掌握其放大率的概念和测量方法，不仅有助于加 深理解透镜的成像规律，也有助于正确使用其他光学仪器。 二、实验目的 1、了解显微镜的基本光学系统及放大原理，以及视觉放大率等概念； 2、学会按一定的原理自行组装仪器的技能及调节光路的方法； 3、学会测量显微镜的视觉放大率。 三、实验原理 （一）、光学仪器的视觉放大率 显微镜被用于观测微小的物体，望远镜被用于观测远处的目标，它们的作用都是 将被观测的物体对人眼的张角（视角）加以放大。显然，同一物体对人眼所张的视角与 物体离人眼的距离有关。在一般照明条件下，正常人的眼睛能分辨在明视距离处相距为 0.05～0.07mm 的两点。此时，这两点对人眼所张的视角约为/1，称为最小分辨角。当 微小物体（或远处物体）对人眼所张视角小于此最小分辨角时，人眼将无法分辨，因而 需借助光学仪器（如放大镜、显微镜、望远镜等）来增大物体对人眼所张的视角。这是 助视光学仪器的基本工作原理，它们的放大能力可用视觉放大率Γ表示，其定义为 w w tan tan / =Γ （1） 式中，w 为明视距离处物体对眼睛所张的视角，/w 为通过光学仪器观察时在明视距离
光学显微镜的发展历史
杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 ' 1 f
'2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1 '120202β?=≤f y 显微镜的分辨率和有效放大率 光学仪器分辨率 瑞利判据：两个相邻的“点”光源所成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相干点像之间的间隔等于艾里圆的半径，即一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的第一暗环处，则这两个点就是可分辨的点。当物面在无穷远时，以两点对光学系统的张角可表示两分辨点的距离，其值为：
光学课程设计显微镜系统结构
一、设计题目：显微镜系统结构 二、设计目的： 三、设计介绍：原理、概念、外型尺寸设计、物镜及目镜造型 四、望远镜光学特性： 参考资料 一、概述 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。 （一）、物镜 物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。 根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。 根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。 2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。 ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm 的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。
光学设计 第17章 目镜设计
第十七章 目镜设计 目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，它的作用是把物镜所成的像，通过目镜成像在无限远，供人眼观察。它是一切目视光学仪器不可缺少的部件。 §1 目镜的光学特性 一 焦距 望远镜物镜焦距与目镜焦距之间存在以下关系： 目物f f ?Γ-= 当目镜的焦距目f 增加时，物镜的焦距物f 很快增加(因为1>>Γ)。因此为了减小仪器的体积和重量，必须尽可能减小目镜的焦距。另一方面，仪器又要求一定的出射光瞳距离，这就限制了目镜的焦距不能过小。一般望远镜目镜的焦距/f 在mm 30~15左右。 对于显微镜的目镜来说，它的焦距和视放大率之间符合以下关系 250=?Γ目f 显微镜目镜的视放大率Γ一般在?10左右。显微目镜的焦距也在mm 25左右。因此无论是望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦距短，是它们的共同特点。 二 出射光瞳直径和相对孔径 由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在mm 4~2左右变化，因此军用望远系统的出射光瞳直径/D 一般在mm 4左右。显微镜的出射光瞳直径/D 则为mm 2~1左右。 目镜的焦距/f 约为mm 30~15，所以目镜的相对孔径/ /f D 一般小于5:1。 三 视场角 如图17－1所示，目镜的视场角/ω是位于物镜和目镜共同焦平面上的像对目镜主点的张角。 图17－1 望远镜系统 对于望远系统，其视放大率Γ与物镜视场角ω和目镜的视场角/ ω有如下的关系式： ωωtg tg ?Γ=/ 可见，无论是增大望远镜的视放大率Γ，还是增加视场角ω，都要求增大目镜的视场角/ ω。 对显微镜来说，要增加物镜的线视场必须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定
浅析光学显微镜机械结构设计
浅析光学显微镜机械结构设计 摘要：光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所 不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。光学显 微镜的使用范围非常的广泛，发展至今，也衍生出了非常多的类型，本文结合光 学显微镜的结构组成，从人体工程视角探索光学显微镜的机械结构设计，从使用 的安全性、科学性、可靠性的角度分析了光学显微镜的机械结构设计的规范和标准。 关键词：光学显微镜；机械结构；人体工程学 光学显微镜的结构主要有光学结构和机械结构组成，机械结构的部分不仅能 对光学结构有很好的固定作用，还起着关键性的调节作用，机械结构能够发挥光 学系统的最大功效，辅助光学系统完成相关的显微镜观察工作。光学显微镜的机 械结构的部分主要在载物台、物镜转换器以及调焦装置等，这些机械结构的设计 不仅要遵循基本的机械结构设计原则，还要保证在光学显微镜中的具体的光学操作，除此之外，设计的原则还要迎合人体操作的需求，使得光学显微镜的机械结 构更加的吻合人体工程学的设计要求，使得光学显微镜使用更加的舒适方便。 一、光学显微镜的基本构造 对于光学显微镜的机械设计，我们首先要了解光学显微镜的构造组成部分， 而且还要知道这些零部件的作用，只有熟知了这些零部件的作用和使用规范，我 们才能更加合理的设计光学显微镜的机械结构部分，光学显微镜一般是由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台的作用是放置被观察的物体，使用调焦旋钮来驱动调焦机构能完成对载物台的调节工作。聚光灯照明系统由聚 光灯和光源组成，聚光灯的作用能够让光更多的聚集到被观察的部位。物镜距离 载物台比较近，是第一级的放大装置。目镜则是于人眼靠近的第二级放大镜头。 这三部分是光学显微镜的重要组成部分，构成了光学显微镜的主要工作原理。 那么机械装置有哪些呢？一般光学显微镜的机械装置有镜座、镜臂、载物台、镜筒、物镜转换器、与调焦装置。这些机械装置的主要作用是固定和调节光学镜头，调节标本的位置等。其中镜座是支撑整个显微镜的装置，而镜臂则用来支撑 精通和载物台。 二、基于人体工程学的光学显微镜的机械结构设计 人体工程学的设计原理主要是考虑到人体结构和机械结构尺寸，并且综合考 虑到人们劳动、工作效果、工作效能等方面，利用系统工程、控制理论、统计学 的原理设计出一系列的设计方法。具体到光学显微镜的机械结构设计中，我们就 要考虑到人们的身体尺寸和应用习惯，首先我们从有关部分获得了我国成年人的 人体部分尺寸的表格（表-1），以此为根据设计光学显微镜结构部分。 1、载物台的设计 从上面的介绍中我们知道，载物台的作用是用来放置被观察物体的，并且式 样能够在载物台上自由的移动，以获取最佳的观察效果。一般的移动范围是 30mm*70mm和50mm*70mm，主要的设计标准就是，载物台距离工作底面的距 离于载物台和人体的水平距离，分别设为B1和B2，考虑到人在调节使用载物台 的过程中的行为习惯，得出计算式。 其中y1和y2分别衣着修正指数和身体活动余量修正。同理得出B2的表达式。经过计算得出： B1=307～357mm
光学系统外形尺寸设计实例
万能工具显微镜光学系统设计 万能工具显微镜用以瞄准工件，属于瞄准定位系统，因此系统的总放大功率由瞄准精度来决定。 设瞄准精度（一次瞄准的最大允许误差）分别为 0.5m δμ=、0.8m μ、2m μ 用米字型虚线瞄准被测件轮廓时，眼睛的瞄准精度为 20''30''α= 将上二式的数值代入式（7—8），可得系统的总放大率Γ为 3 250210/mm α δΓ= ?=50?或30?，12.5? （一）物镜、目镜放大率的分配及确定 物镜所观测的工件沿光轴方向有一定深度，为使工作时，镜筒端部与工件不致相碰，要求物镜有较大的工作距离。例如30Γ=?时，要能测量100mm Φ的工件，物镜的工作距离应大于50mm ，为使总的共轭距不致太长，物镜倍率不宜过大。 目镜倍率可以适当取大一些，但也不能太大，以免镜目距太短，或使分划板的粗糙度要求太细而造成加工困难。目前国内外通用的目镜的放大率为10?，因此，在选择目镜时，应首先考虑10?目镜。此例题若选择10?目镜，则物镜的倍率分别为5?、3?、1.25?。这样，物镜倍率也不太高。1.25?物镜常取1?物镜。 （二）物镜的数值孔径的确定 物镜的数值孔径可根据式（7—13）确定，即 300NA Γ= 故三种放大率的物镜对应的数值孔径分别为0.15，0.09，0.03。 （三）物方线视场大小的确定 视场的大小根据使用要求而定，并考虑到校正像差的可能性。对于3?物镜，要求能看到6mm Φ的圆柱、圆孔或螺距为6mm 的螺丝，因此取物方线视场为7mm ，其相应的视场光阑直径（即分划板通光直径）为21mm 。对于三种不同倍率的物镜，一般采用视场光阑直径是统一的，因此，不同倍率的物线方视场大小不同。三种倍率的物方线视场见表7—18。 表7—18 物镜的工作距离取决于同一工件上下两平面间的高度差或被测工件的最大直径。对于3?物镜，在万工显上要求在使用V 形座时，被测工件的最大直径为100mm Φ，此时，相应的工作距离应大于50mm 。本例题取物平面到主面的距离（物距l ）为76mm ，与此对应的像距'228l l mm β==。按薄透镜计算的共轭距为304mm 。由此看来，显微镜的轴向尺寸不算太长。由高斯公式很容易计算出物镜的焦距'57f mm =。 对于1?和5?物镜，其共轭距应保持大体一致，以保证齐焦。由共轭距和放大率可分别求出物距、象距、焦距。 下面以3?物镜为例，讨论万工显主显微镜其他光学参数的确定。 （五）物镜通光口径D 物和孔径光阑直径D 孔
光学显微镜的工作原理
光学显微镜的工作原理 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。 （一）、物镜 物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。 根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。 根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。 2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。 ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。
2010级光学设计题修改版
2009级光学设计性实验题目 选题说明 光学实验最后一部分是设计性实验。以下就题目的选择、实验的进行说明如下：1、从下列题目中任选一个实验题目。每题人数给定，6月4日（周一）下午1：30提 交实验方案，经指导教师审阅批准后开始进行实验；贾艳：光学二室；李金环：光学三室；张瑛：光学准备室： 2、实验分成四个轮回，周二（6月5号）、周三（6月6号）、周五（6月8号）、周一 （6月11号）下午12:30---17:30； 3、制定方案时，要发挥独创精神，根据题目要求选择适当的实验方法、仪器（精度、 型号）、安排适当的实验步骤及注意事项。方案必须认真手写到实验报告上，不得抄袭； 4、进行实验时，要注意分析实验数据，并与预期结果进行比较，分析实验中的问题， 适当地改进实验方案，使实验获得比较理想的结果； 5、实验误差分析结果的评价以及对实验的进一步的探讨，是设计性实验的重要内容； 6、实验后写出完整的实验报告； 7、计性实验的心得体会要实事求是的写，要有重点并具体的议论一、二个问题，防止 空谈，特别希望提出具体的改进意见和对教师的期望。 8、实验前提出需要仪器及材料的详细计划，实验室提供现有的仪器设备供同学选用， 如有特殊仪器使用要求，需要提前向老师说明。注意爱护和保管好仪器，如有损坏或丢失要及时报告老师处理； 9、设计性实验主要参考书：光学教程姚启钧著；普通物理实验（光学）杨述武； 9、实验题目L1－L8由李金环老师指导，J1－J7由贾艳老师指导，Z1－Z6由张瑛老师指导； 10、时间要求：请选好题目，每人1题，并于6月1日下午（周三）由负责人将选题名单上交给李金环老师。
L李金环老师的设计实验题目 （L实验一to L实验八） L实验一光盘性质研究（1人） 目的： （一）了解光盘CD，VCD，DVD的构成及光学性质； （二）学会解释出现的光学现象； 要求： （一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图； （二）使用多种方法进行测量； （三）光盘的刻线走向及刻线密度。 提示： （一）利用光的衍射特性； 问题： （一）将研究的结果进行比较。 L实验二光谱分析及柯西色散公式研究（1人）目的： （一）研究光谱分析的基本方法； （二）进一步研究棱镜色散曲线； （三）研究正常色散曲线—柯西公式。 要求： （一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图； （二）分析不同玻璃棱镜的色散曲线，确定实验室使用棱镜的制作材料；（三）用计算机进行数据及图形处理； 提示： （一）可利用最小偏向角； （二）选择不同光源进行比较分析。 L实验三空间滤波对光栅性质的探讨（2人） 目的： （一）掌握制作光栅的方法； （二）探讨光栅不同频率衍射光的性质； （三）了解空间滤波的原理。 要求： （一）自己设计实验方案，画出光路图； （二）推导出双光束干涉的公式； （三）推导出正弦光栅的衍射方程； （四）讨论光强对条纹对比度的影响。 提示： （一）利用干涉和衍射；
光学设计第16章显微镜物镜设计
第十六章 显微镜物镜设计 显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远，供人眼观察。 在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为mm 190左右，我国规定为mm 195。如图16－1所示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。 还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16－2所示。筒镜透镜的焦距，我国规定为mm 250。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为： 物 f 250 - =β 整个显微镜的性能，也就是它的视放大率和衍射分辨率，主要是由显微镜物镜决定。 图16－1 显微镜系统 图16－2 无限筒长显微镜系统
§1 显微镜物镜的光学特性 一 显微镜物镜的倍率 显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率β。由于显微镜是实物成实像，因此β为负值，但一般用β的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距L 一定的条件下，β与物镜的焦距存在以下关系： L f ?--= 2 ) 1(ββ 物 对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为： β 250 - =物f 式中，β为负值。 无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率β的绝对值越大，焦距物f 越短。所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。 二 显微镜物镜的数值孔径 数值孔径U n NA sin ?=，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率δ， 根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式： NA λ δ61.0= 公式中，δ代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；λ为光的波长，对目视光学仪器来说，取平均波长nm mm 5000005.0==λ ；NA 为物镜的数值孔径。 因此要提高显微镜物镜的分辨率，必须增大数值孔径NA 。 显微镜物镜的倍率β、数值孔径NA 、显微镜目镜的焦距目f 与系统出射光瞳直径/ D 之间满足以下关系： 目 目＝ Γ??= 250 /ββ NA f NA D 式中，目Γ为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于mm 1。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率目Γ越小，就要求物镜有更高的倍率β，但是物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用造成不方便，因此一般希望尽量提高目镜的倍率，但目镜由于受到出射光瞳距离的限制，焦距不能太小，通常目镜的最高倍率为?15，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。 数值孔径NA 与相对孔径之间近似符合以下关系：
望远镜、显微镜组装与设计和zemax使用光学课程设计教材
长沙学院 光学工程CAD设计 课程设计说明书 题目光学课程设计 系（部）电子与电气工程系 专业（班级）光电信息工程（2013级2班）姓名学号 指导教师孙利平、周远、谭志光、刘莉 起止日期2015622 —2013625
长沙学院课程设计鉴定表
目录 一、望远镜的设计与组装 (3) 1、项目设计目的 (3) 2、望远镜的基本原理 (3) 3、设计任务 (4) 设计与组装一个开普勒望远镜 (4) 设计与组装一个伽利略望远镜 (4) 设计和组装一个带正像系统的开普勒望远镜 (4) 4、数据记录 (4) （1）测得透镜焦距 (4) （2）开普勒望远镜的组装 (4) （3）开普勒望远镜特性参数测量 (4) 5、照片展示 (5) 6、可用器材 (5) 二、显微镜的设计与组装 (6) 1、项目设计目的 (6) 2、望远镜的基本原理 (6) 3、显微镜的设计及数据记录 (7) ①............................................................................................................................................. 视 放大率 (7) ②............................................................................................................................................. 系 统总长度不能大于光学平台的长度 (7) ③............................................................................................................................................. 要 给出设计值和实测值 (7) ④............................................................................................................................................. 用 手机拍一幅从目镜后拍出的微尺放大图 (7) 4、设计思路 (8) 5、可用器材 (8) 三、Zemax的光学设计 (8) 1、选定光学设计题目 (8) 2、学习zemax的使用 (8) 3、使用 zemax软件设计光学器件 (10) ①设计单透镜 (10) ②设计牛顿望远镜 (1) 2 ③设计施密特 ---卡塞格林系统 (14) 结束语 (16) 参考文献 (16)
光学显微镜机械结构设计探讨
光学显微镜机械结构设计探讨 【摘要】由于人类肉眼的最佳解析力只能分辨相距0.2mm以上的两点，对于更微小的物体，便必须借助于显微镜，而光学显微镜更是应用作为广泛的显微镜种类之一。本文首先探讨了光学显微镜的基本知识，进而通过识别光学显微镜的类别，分别对其机械结构的设计进行了探讨，以期能够指导合理的应用。 【关键词】光学显微镜；机械结构；设计 一、光学显微镜的基本认识 （一）光学显微镜的原理 虽然显微镜种类繁多，但其呈像原理大致可以分为光学显微镜和电子显微镜两大类。显微镜的基本功能是放大影像及解析影像，光学显微镜可解析0.2μm大小的物质，可清楚看见病虫内外部构造、真菌形态、及细菌的大概的外形，而病毒颗粒则无法观察，需要用到电子显微镜。光学显微镜一般是由两组透镜及显微镜机械本体组成，主要是用来观察生物体的器官组织结构或生物细胞的内部构造。这种显微镜的两组透镜，一组是接近观察的标本的透镜，这被称为接物镜或简称为物镜，另一组是靠近眼睛称为接目镜或简称目镜。物镜位于物体标本上方而由上往下观察的为正置光学显微镜；物镜位于物体标本下方而由下往上观察的为倒置光学显微镜。 （二）光学显微镜的光学结构组成 一是物镜，其锁定于标本台上方的物镜转换器上。每一个物镜有固定的放大倍率、数值孔径与工作距离。数值孔径表示物镜捕捉光线的能力：数值越高，捕捉光线的能力越强，也即物镜的解像能力越好。工作距离指成像时物镜与标本表面的间距，物镜工作距离与其放大倍率有一定的关系。一般生物显微镜物镜的放大倍率介于2×-100×之间，40×-80×的称为高干镜头，90×-100×的称为油侵镜头。物镜外常刻有一行数字，如40/0.65/0.17，其意义分别为：放大倍率40×、数值孔径为0.65、盖玻片的最大容许厚度为0.17mm。 二是目镜，其位于镜筒顶端，进一步放大物镜的成像。最多使用的目镜放大倍率为10×，在个别场合，也有使用20×放大倍率的目镜。双目镜的显微镜瞳距应可以调整，是两目镜之间的间距与使用者眼睛瞳距相匹配，这样才能看到单一的视野和影像。肉眼与目镜距离应适当，才能看到镜头里的整个影像。 二、光学显微镜的类别与机械结构设计 （一）类别 实体显微镜与复式光学显微镜均属于光学显微镜。无论是何种显微镜，其主