顯微物鏡的光學設計
前幾天突然有幾個童鞋問顯微物鏡的設計。以前是做過有限共軛的顯微物鏡，但問到無限共軛物鏡的時候，突然有些懵逼，於是又系統的學習了一遍，明確了很多新的顯微物鏡設計規格。寫出來，大家可以一起學習。
Keywords: Objective lens, Infinity-Correction Objective Lens, Tube Lens, ZEMAX
顯微物鏡結構形式：
目前市場上的顯微物鏡按照共軛方式分為兩種：
- 有限共軛物鏡：教科書式的經典入門顯微物鏡形式；
- 無限共軛物鏡：物方處在物鏡前焦面上，經物鏡後產生平行光束，後接Tube Lens筒鏡實現全部物鏡光學功能。由於該物鏡後為平行光，使得其中可以方便插入分光鏡等其他光學元件，是現在主流測量、工業顯微鏡的主要形式。如下圖所示：
分別簡介如下：
有限共軛物鏡：
詳細介紹大家參考教科書吧，這裡把LENS DESIGN中的三個常規物鏡列舉一下，供大家複習。同樣的，採用由長共軛（實際像方）追跡到短共軛（實際物方）的方式，長共軛方NA均為0.025。
- Lister型：10X, NA=0.22, EFL=15.7, 物像距180mm, 像直徑16mm：
2. 20X, NA=0.49, EFL=7.85, 物像距180mm, 像直徑16mm：
3. 改進型阿米西-復消色差：47.5X, NA=0.91, EFL=3.76, 物像距180mm, 像直徑16mm：
4. 油浸阿米西-復消色差：98X, NA=1.28, EFL=1.79, 物像距180mm, 像直徑16mm：
以上顯微物鏡均為目視設計，由於人眼觀察不同視場時主動調焦，所以場曲不嚴格矯正。
當顯微物鏡後接CCD或投影成像時，場曲必須矯正，因此纔有了平場消色差和平場復消色差物鏡。無限共軛系統——Tube Lens 筒鏡：
在介紹無限共軛物鏡之前需要先了解Tube Lens，才能根據Tube Lens的焦距決定物鏡放大率，焦距、視場等指標。
通常筒鏡焦距為180mm或200mm，其中OLYMPUS家以180mm為主、其他家多用200mm。
下面以OLYMPUS專利US9983398B2為例，看下他家的設計：
該設計使用5組7片式球面鏡組，根據以上結構參數可反推出ZEMAX中使用的參數如下：
· 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°· 主波長d光587.56nm（其他波長為435.84, 486.13, 546.07, 656.27）。將以上所有參數輸入ZEMAX，玻璃替代為OHARA家的牌號，得到如下模型：
可以看到，像質仍然接近衍射極限，剩餘的主要是彗差，導致子午/弧矢方向MTF劣化。此外、色差與場曲也相對比較大。
基於此設計優化各曲率和空氣間隔後，低頻MTF可得到少量提高。
無限共軛物鏡：
仍以OLYMPUS家的專利US20170184830A1來看下無限共軛物鏡的結構形式。
該物鏡使用9組14片的消色差結構，配合180mm Tube Lens實現40X放大率，玻璃材料同樣為日本OHARA家的。
該物鏡焦距4.5mm，放大率=180/4.5=40，由NA與EFL估算EPD~7mm。HFOV取~3°。
復現ZEMAX模型如下：
由於使用了多片超低色散玻璃，該物鏡可見光區域的剩餘球差、色差非常小。但視場邊緣存在雜光，好在我們主要關注的還是中心視場區域。
各位也可以基於這個初始結構優化下，嘗試提升下MTF指標。
就先到這裡了。
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下期再見啦。
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