Zemax光学设计实例（16）---一个无限筒长的中倍消色差显微物镜的设计

导论：

中倍消色差显微物镜，是具有代表性的物镜结构。高倍显微物镜可以看做是在中倍物镜基础上加上一个或两个前部单透镜构成的中倍物镜结构是它的基础。掌握它的设计方法，也就给高倍物镜的设计做好了准备。

设计一个无限筒长的显微物镜，其光学特性要求为

β=-10X，NA=0.35，2ω`=5度

我们同样按反向光路进行设计，由于无限筒长物镜成像在无限远，反向光路相当于物平面在无限远，与设计一个望远物镜类似。

物镜的焦距f`=-250/β=25mm

反向光路轴向平行光束的孔径高为H=f`sinU=25*0.35=8.75；ω=2.5度。

这样，按反向光路设计一个无限筒长的显微物镜相当于设计如下的一个望远物镜

f`=25；H=8.75。

不过这个物镜的焦距比较短，但相对孔径很大，

D/f`=2H/f`=1/1.4

（来自《光学设计教程》第6章案例）

设计流程：

（1）原始系统的确定：

由于系统的相对孔径很大，而且焦距又比较短，透镜厚度和焦距之比较大，厚度的影响已不能忽略。这类透镜用薄透镜系统的初级像差求解，已没有很大的实际意义。

因此，我们直接查找一个现有结构作为原始系统：

上述系统的焦距为f‘=15mm，

（2）Zemax设计与优化：

1）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径和玻璃库。

对于显微物镜，物平面位在有限距离处，在孔径类型中选择“Entrance

Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“17.5”；

在玻璃库标签中输入中国玻璃库“CHINA-LF”名称。

在视场设定对话框中设置6个视场（0，0.3，0.5，0.7，0.85，1视场），对于无限筒长的显微物镜来说，要选择“Angle（Deg）”如下图：

在波长设定对话框中，选择F，d，C（visible）自动加入三个波长，如下图：

然后在LDE中输入查找出来的初始结构，如下图：

观察系统的二维结构图，如下图：

从结构图看出，第一胶合透镜组和第二胶合透镜组口径不合理，出现前后表面相交的情况。

此时在第1面和第4面，选择“Edge Thickness”，并在厚度“Thickness”中输入1，这表示第一面的边缘厚度被控制为1mm，系统根据这一控制自动调整第一面的中心厚度。

此时LDE如下图：

调整后系统的二维结构图，如下图：

这个初始结构输入后，由于系统焦距与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。

选择Tools-Scale lens，由于系统现有焦距为16.244mm，要变为25mm，缩放因子为25/16.244=1.53903，因此在Scale by Factor缩放因子后填入1.53903，点击OK。

此时LDE中的结构数据发生了变化，如下图，此时系统焦距已调整为25mm。

查看初始系统的点列图，如下图：

2）系统优化

首先建立评价函数。

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“PTV+Wavefront+Chief Ray”。设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差的操作数。

增加EFFL操作数，控制系统焦距为25mm，权重为1；

如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将系统各表面半径和第3面的厚度（即两胶合组之间的间隔）设置为变量，如下图所示：

对于双胶合透镜，厚度对校正像差基本上不起作用，因此不选择厚度作自变量，玻璃材料一般在利用初级像差方程式求解结构参数时已经确定了，因此也不能作为自变量。

点击opt按钮执行优化。

优化后系统的二维结构图，如下图：

查看优化后的点列图，如下图：