光焦度分配的设计策略

针对大数值孔径复消色差显微物镜设计,镜片数量多,结构复杂,过去通常采用“+-+”光焦度分配方案。但大数值孔径情况下,“+-+”结构不利于增加物镜的工作距离,同样数值孔径情况下,工作距离一般小于0.15mm。因此,本节的显微物镜结构采用“++-”三组分结构,如图12-22所示。前组、中间组、后组分别记为1、2、3;光焦度记为φi;各组元件的偏角记为Δui;各组上的光线高度为hi;前组与物的距离、前组与中间组的距离及中间组与后组的距离依次为L1、L2、L3;前组入射孔径角及前组、中间组、后组出射孔径角依次为u0、u1、u2、u3,且物镜是无限远共轭距结构,即u3=0。

图12-22　物镜结构示意图

考虑到后期结构设计及装调难度,在光焦度分配时,应适当集中光焦度于某一组分,设置敏感元件。大数值孔径物镜的前组,一般具有较大的光线偏折角,承担较大的光焦度,是像差敏感元件,制造公差很严,加工困难,适合设置为装校调节元件,配以微调工装,装配物镜。基于此设计思想,设置各组分偏角比例为Δu1∶Δu2∶Δu3=0.95∶0.1∶(-0.05)。根据物镜数值孔径NA及各组偏角比,计算得u0、u1、u2。(www.xing528.com)

基于以上光线角度和投射高度追迹光线,根据系统总光焦度φtotal、总长Ltotal及多光组组合计算公式,可求得三个光组的光焦度分配:

将表12-4中相关设计指标代入上式,计算得φ1=0.19mm-1、φ2=0.015mm-1、φ3=-0.005mm-1。求解结果显示前组承担主要光焦度组,使后组承担的数值孔径,大大减小,是物镜装调过程中需重点关注的调节组件。前组可采用多片弯月形透镜组合形式,分担光焦度,也可加入双胶合件减小前组的色差。中间组为正的弱光焦度组,主要校正宽光谱、大数值孔径带来的复杂像差。中间组中会采用特殊色散玻璃(如CaF2)校正二级光谱,中间组的弱光焦度属性,能显著放松CaF2等特殊色散玻璃的加工要求。后组为负的弱光焦度组,可采用一负光焦度双胶合与一正光焦度单透镜组合,负光焦度胶合件能增大物镜工作距离,校正垂轴色差,置于最后的正光焦度单片用来补足整体光焦度。