显微镜光学成像系统设计案例分享

  • 11 June 2022
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显微镜光学成像系统设计案例

简介

以下介绍显微镜光学成像系统的设计案例。

显微镜的技术规格如下所述:

放大倍率:10

NA:0.2(CCD对角的1/2

视场数:8

无限远校正系统(infinity corrected ): 12mm

成像镜头焦点距离:200mm

工作距离:45mm

使用的光源:2mm NA=0.25

光学系统的设计分为2类:

  1. 成像系统

  2. 照明系统

这里介绍的是成像系统的设计。

原文出处及附件下载:

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物镜的设计案例

首先对物镜进行设计(由2组4片构成)。最终的LDE数据和布局图如下所示。

所使用的评价函数如下所示:

关于玻璃材料

本例中利用Hammer优化进行玻璃替代来决定玻璃材质。

设计完成后查看波前差,可以看到在全视场内都在衍射极限之内。

 

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成像透镜设计范例

下面介绍成像透镜(1组两片)的设计。

设计完的LDE和布局图如下所示:

设计规格要求焦距200mm。评

价函数的设置如下所示:

设置了焦距同时对玻璃厚度进行了限制。

物镜与成像镜头同时设置在同一LDE中,中间添加半透半反镜。

最终的LDE与布局图如下所示:

在OpticStudio中可以同时使用两种以上的(镜头)模拟数据。可以直接复制数据两组数据一起使用。

对于物镜,需要进行翻转。在LDE中使用元件翻转工具十分方便。

附录

完成的数据转换为非序列模式。使用NSC converter工具很容易。

转换为NSC之后的数据:

 

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Hello Julia,

     感谢分享这个设计案例。

     我最近正在设计显微系统,有个事情想请教一下。

这个物镜的光阑位于第1面,其入瞳是第1面,这个容易理解,出瞳的位置,按照我的理解,应该是在像面的左边吧(形成出射角),但是从merit function和 prescription提供的数据来看是个正值,按照ZEMAX的有关定义,正值是说明在像面的右边。

   

这样一来就有矛盾的地方了,烦请解惑。

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Hi Steven,

感谢您阅读我们的post。

您的矛盾点来自Exit pupil的定义方式。首先出瞳是STOP经过它后面的光学系统后所成的像,其次exit pupil是近轴计算参数,用到无穷远处轴上平行入射的光 (的傍轴光线)来计算这一近轴量。

下面我将把出瞳面在布局图中可视,并且计算几根真实光线帮助您理解Exit pupil的定义。

  1. 在原系统中添加两个表面(surf8+surf9),表面面8厚度定义为Pupil position 求解,表面9厚度拾取表面8,scale= -1。这样在布局图中表面9就是出瞳面。

     

  2. 在merit funtion中添加两根主光线,计算两根特定光线在出瞳面上的高度。其中视场设置了非常少量的偏移,返回这两根光线Y坐标的差值(数值特别小代表高度相同)。如下图所示。这里是为了展示,出瞳的位置上这两根光线正好相交(即这两根光线相交处的Z位置就是出瞳位置)。但实际的软件的运算可能包含更多跟光线的检查。

     

两点说明:

  1. 这里用了px=py=0, 见帮助手册中提到如果主光线不能追迹会采取其他方法。因此操作数1和操作数2用了主光线。
  2. 用到的是REAY,这个操作数是真实光线追迹的结果,REAY搭配Hy=±0.00001 即傍轴光线的概念。

希望以上内容对您有帮助。

Thanks,

Julia

Hello Julia,

感谢您的分享,关于这个案例第二个成像透镜我有个小问题,就是这里的STOP面的厚度为什给80呀,是从什么参数算出的吗,我注意到后面组合系统的时候这个距离设为了40mm,不太明白这个距离到底怎么考虑的😳

 
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Hi Dujin,

感谢您的提问。

首先这个案例使用了infinity corrected tube lens. 该案例所展示的是两个子系统(objective lens + tube lens)分别设计,然后结合在一起。关于使用infinity corrected tube lens 的优点请查看下面的网络资源:https://www.olympus-ims.com/en/microscope/terms/feature15/

因此这个距离的设置与两个子系统镜头各自的厚度和总系统总长要求有关。

两个子系统中加入的倾斜45度的元件的用途是分光,本例中并未包含分出去的光路。这也是infinity corrected光路的优势,可以在中间加入其他元件,使整个系统的自由度更高。

我们知识库文章中有共聚焦显微镜的案例,其中就增加了分光平板分出去的那束光这支光路。

关于共聚焦的显微镜的设置及用途请参考网络资源

Thanks,

Julia

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