物方远心无限筒长物镜设计举例

普通低成本的生物显微镜,一般用可见光波段透射式照明或反射式照明,采用有限共轭距或筒长的显微镜形式,做第二层级像差校正、消色差即可。对常见的金相显微镜、测量显微镜等,需要做到至少第三层级的像差校正,如果有平场复消色差要求,则做到全部四个层级的像差校正,属于高端显微镜。

当前,应复杂的工业检测需求,国内外高端显微镜研发与生产厂家,出现了近红外显微物镜、可见近红外宽谱荧光显微物镜;甚至出现了医用X波段或紫外短波段显微物镜等,品种繁多。这些显微物镜,需要用于定位目标或检测被观察目标的尺寸,一般需要设计成物方远心光路,然后再做相应层级的像差校正。

由显微物镜的工作光路原理可知,在NA不变的情况下,显微物镜的有效通光直径(直观地看,显微物镜的外壳粗细)越大,则工作距离越大。当然,显微物镜的工作距还取决于物镜的复杂程度,如采用至少两个光组的反远距型,也可以获得更大的工作距。如果工作距离不变,显微物镜的外壳越粗,则其NA越大。因此,显微物镜的外表有粗细之分,需要查看铭牌,识别其物镜的性能参数。常见的显微物镜筒径为45mm或者90mm左右。

9.2.2.1　设计要求

设计一20倍无限筒长、物方远心物镜,其性能参数如下:

NA=0.4;

工作波段:可见光;

工作距:大于11mm;

筒径:45mm;

管镜焦距:200mm;

物方视场:2y=1.3mm。

9.2.2.2　初始结构

根据管镜焦距和倍率,可以计算初物镜焦距:(www.xing528.com)

轴向平行光束的孔径高为:H≈f′sin U=10×0.4=4(mm)。

因此设计总要求如下:f′=10mm,H=4mm,ω=3.58°,相对孔径。

由于物方工作距要大于11mm,大于物镜焦距,因此,该物镜结构形式,需要采取正组在前、负组在后的反远距形式。

由=φ′和=1-,l′f≥11,及,共4个方程,可进行外形尺寸计算求出两薄透镜组的焦距和间隔:

这样,负组透镜相对孔径约为1/(40.9/8)=1/5.1,属于小相对孔径系统,可以采用双胶合透镜组;正组需要承担的NA=0.4,相对孔径约为1/1.25,为大相对孔径系统,需要采取更复杂的结构,一般至少两个双胶合透镜组以上的组合。由于正组的相对孔径很大,焦距又比较短,透镜厚度和焦距之比不能忽略,不能用薄透镜系统的初级像差求解。我们直接查现有手册,找一个现有结构作为正组的原始数据。显微物镜的结构参数如表9-20所示。

表9-20　r、d参数与玻璃牌号

该物镜系统焦距:f′=10.5mm,其光学结构图如图9-5所示。

图9-5　20X无限筒长显微物镜光学结构图