显微物镜的光学设计

前几天突然有几个童鞋问显微物镜的设计。以前是做过有限共轭的显微物镜，但问到无限共轭物镜的时候，突然有些懵逼，于是又系统的学习了一遍，明确了很多新的显微物镜设计规格。写出来，大家可以一起学习。

Keywords: Objective lens, Infinity-Correction Objective Lens, Tube Lens, ZEMAX

显微物镜结构形式：

目前市场上的显微物镜按照共轭方式分为两种：

有限共轭物镜：教科书式的经典入门显微物镜形式；

无限共轭物镜：物方处在物镜前焦面上，经物镜后产生平行光束，后接Tube Lens筒镜实现全部物镜光学功能。由于该物镜后为平行光，使得其中可以方便插入分光镜等其他光学元件，是现在主流测量、工业显微镜的主要形式。如下图所示：

无限共轭物镜-平行光路插入分光镜等  

分别简介如下：

有限共轭物镜：

详细介绍大家参考教科书吧，这里把LENS DESIGN中的三个常规物镜列举一下，供大家复习。同样的，采用由长共轭（实际像方）追迹到短共轭（实际物方）的方式，长共轭方NA均为0.025。

Lister型：10X, NA=0.22, EFL=15.7, 物像距180mm, 像直径16mm：

10X显微物镜

2. 20X, NA=0.49, EFL=7.85, 物像距180mm, 像直径16mm：

20X显微物镜

3. 改进型阿米西-复消色差：47.5X, NA=0.91, EFL=3.76, 物像距180mm, 像直径16mm：

47.5X显微物镜

4. 油浸阿米西-复消色差：98X, NA=1.28, EFL=1.79, 物像距180mm, 像直径16mm：

98X油浸物镜

以上显微物镜均为目视设计，由于人眼观察不同视场时主动调焦，所以场曲不严格矫正。

当显微物镜后接CCD或投影成像时，场曲必须矫正，因此才有了平场消色差和平场复消色差物镜。

无限共轭系统——Tube Lens 筒镜：

在介绍无限共轭物镜之前需要先了解Tube Lens，才能根据Tube Lens的焦距决定物镜放大率，焦距、视场等指标。

通常筒镜焦距为180mm或200mm，其中OLYMPUS家以180mm为主、其他家多用200mm。

下面以OLYMPUS专利US9983398B2为例，看下他家的设计：

US9983398B2实施例1光路   US9983398B2实施例1参数  

该设计使用5组7片式球面镜组，根据以上结构参数可反推出ZEMAX中使用的参数如下：

· 像方NA=0.07可推出EPD=~25mm

· 像高15mm（全像面尺寸30mm）可反推HFOV=~4.8°

· 主波长d光587.56nm（其他波长为435.84, 486.13, 546.07, 656.27）。

将以上所有参数输入ZEMAX，玻璃替代为OHARA家的牌号，得到如下模型：

原始参数输入ZEMAX

可以看到，像质仍然接近衍射极限，剩余的主要是彗差，导致子午/弧矢方向MTF劣化。此外、色差与场曲也相对比较大。

基于此设计优化各曲率和空气间隔后，低频MTF可得到少量提高。

优化曲率与空气间隔后  

无限共轭物镜：

仍以OLYMPUS家的专利US20170184830A1来看下无限共轭物镜的结构形式。

该物镜使用9组14片的消色差结构，配合180mm Tube Lens实现40X放大率，玻璃材料同样为日本OHARA家的。

US20170184830A1结构形式   像差指标 镜片参数 镜片参数（续）

该物镜焦距4.5mm，放大率=180/4.5=40，由NA与EFL估算EPD~7mm。HFOV取~3°。

复现ZEMAX模型如下：

EFL4.5无限共轭显微物镜  

由于使用了多片超低色散玻璃，该物镜可见光区域的剩余球差、色差非常小。但视场边缘存在杂光，好在我们主要关注的还是中心视场区域。

ZEMAX模型的像差指标  

各位也可以基于这个初始结构优化下，尝试提升下MTF指标。

就先到这里了。

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