应用以上结构调整方法建立的初始结构与图12-33的评价函数优化后,得到的设计结果的结构图如图12-34所示。设计结果中有12片玻璃,总长为58mm,小于64mm。出于成本考虑优先选用我国成都光明玻璃(CDGM玻璃),剩余的使用日本OHARA玻璃。OHARA厂家有较多的高折射率及特殊色散玻璃可供选择。
图12-34中,1、2、3为前组,焦距为5.4mm,承担93%的光焦度;1、2片为弯月形透镜,能减小场曲。4、5为中间组,口径为12mm,焦距为45mm,相对0.95数值孔径物镜的总光焦度而言,为弱光焦度组。CaF2材料位置选在三胶合的前后片,都是双凸透镜,曲率半径为10～15mm,加工相对容易。6、7为后组,透镜组6为负光焦度,能增大工作距离。透镜组6中,后片厚度较厚,利于校正场曲。透镜7为正光焦度单片,使出射平行光。透镜7所用材料为OHARA的S-LAH89,是折射率为1.85的高折射率材料,避免再引入高级像差。
对于已校正二级光谱的显微物镜,初级球差公差应小于4倍焦深,剩余球差公差小于6倍焦深,二级光谱小于一倍焦深。根据物镜焦深公式,计算物镜焦深,λ取450～800nm中间波长625nm,根据放大倍率将焦深转换到焦距200mm的理想透镜(筒镜)焦面处,见式(12-24)、式(12-25)。
图12-33 评价函数中各高级像差定义
图12-34 设计结果的结构图
该系统所用CCD像元尺寸为6.5μm×6.5μm。在实际荧光检测中,关注的是荧光微弱光谱的有效探测,为提高探测效率,采用4×4像元合并,合并后像元尺寸为26μm×26μm。图12-35～图12-38分别是物镜设计结果的点列图、MTF曲线、色差曲线与场曲/畸变曲线。图12-35中,0.8视场内均方根弥散斑半径小于合并后的像元尺寸,全视场均方根弥散斑半径接近合并后的像元尺寸。图12-36中,黑色线为衍射极限,整体MTF接近衍射极限;在20 lp/mm处,全视场内的MTF＞0.5。图12-37(a)为轴向色差曲线,0.707孔径处各色光几乎交于一点,约70%孔径色差在一倍焦深以内;球差小于2倍焦深,满足物镜的复消色差要求。图12-37(b)为垂轴色差曲线,各色光都在艾里斑以内,垂轴色差校正良好。图12-38(a)为场曲图,边缘视场场曲小于1.2mm,像散小于0.7mm,参考ISO制定的用于观测的显微物镜平场标准,该设计结果满足平场要求。图12-38(b)为畸变图,最大畸变在0.2%以内。表12-5为主波长各视场的波前RMS值与斯特列尔比,0.8视场以内波前RMS值在λ/13以内,全视场波前RMS值稍大,0.8视场以内斯特列尔比在0.8以上,全视场也能达到0.6以上。综上,整体设计像质良好,满足设计要求。
图12-35 弥散斑点列图(www.xing528.com)
图12-37 色差曲线
(a)轴向色差曲线;(b)垂轴色差曲线
图12-38 场曲畸变
(a)场曲图;(b)畸变图
表12-5 波前与斯特列尔比
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