基于自由曲面的高倍率广角显微目镜设计

郭雨桐; 常军; 胡瑶瑶; 钟乐; 宋大林

doi:10.7498/aps.69.20191828

摘要

随着显微镜性能的不断提升, 要求显微目镜具有更大的视场、放大倍率以及更好的成像质量. 显微目镜由于孔径光阑外置, 且焦距较短, 其设计难点在于如何校正大视场带来的畸变与其他轴外像差, 并在此基础上获得符合人眼观察要求的出瞳距离. 本文分析了目镜光学系统存在的主要像差, 特别是带有畸变的光学系统对成像所产生的影响. 将自由曲面应用在显微目镜光学系统畸变校正中, 设计出一款视场角达到60° (即 ± 30°), 放大倍率达到25× 且全视场畸变小于5%的高倍率广角显微目镜. 采用五片三组元式结构, 其中自由曲面镜片采用塑料材料且关于XOZ与YOZ平面对称, 实现了结构简单、易于加工且成本较低的高性能显微目镜设计.

关键词:

Abstract

With the great improvement of microscope property, the eyepiece of microscope is required to have a larger field of view, high magnification, and better imaging quality. Because of the external aperture stop and short focal length, the design difficulty of microscope eyepiece lies in how to correct the distortion and other off-axis aberrations caused by the large field of view, and how to obtain an eye relief that meets the requirements for human observation is also important. The main aberrations of the eyepiece optical system, especially the effect of the optical system with distortion on imaging is analyzed in this paper. The freeform surface is applied to the distortion correction of the optical system of the microscope eyepiece. A wide-angle microscope eyepiece with field of vision of 60° and a magnification of 25× is described in this paper. The full-field distortion is less than 5%. The microscope eyepiece adopts a five-piece three-element structure, in which the freeform surface lens is made of plastic material and is symmetrical about the XOZ plane and YOZ plane. A high-performance microscope eyepiece design with simple structure, easy processing, and low cost is realized.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京理工大学光电学院, 北京　100081

2.
公安部第一研究所, 北京　100048

通信作者: 常军, bitchang@bit.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61471039)资助的课题

Authors and contacts

1.
School of Opto-Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

2.
The First Research Institute of the Ministry of Public Security, Beijing 100048, China

Corresponding author: Chang Jun, bitchang@bit.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61471039)

文章全文 : translate this paragraph

参考文献

[1]	Missig M D, Morris G M 1995 Appl. Opt. 34 2452 Google Scholar
[2]	孟祥翔 2015 博士学位论文 (长春: 中国科学院光学精密机械与物理研究所) Meng X X 2015 Ph. D. Dissertation (Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)
[3]	侯佳 2013 博士学位论文 (杭州: 浙江大学) Hou J 2013 Ph. D. Dissertation (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)
[4]	Yang T, Jin G F, Zhu J 2017 Chin. Opt. Lett. 06 81 Google Scholar
[5]	张以谟 2008 应用光学 (北京: 电子工业出版社) 第 494 页 Zhang Y M 2008 Applied Optics (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p494 (in Chinese)
[6]	Fang F Z, Zhang X D, Weckenmann A, Zhang G, Evans C 2013 CIRP Ann. 62 823 Google Scholar
[7]	Gissibl T, Thiele S, Herkommer A, Giessen H 2016 Nat. Commun. 7 11763 Google Scholar
[8]	Li H, Naples N J, Zhao X, Yi A Y 2016 Adv. Opt. Technol. 5 335 Google Scholar
[9]	Zhou T, Liu X, Liang Z, Liu Y, Xie J, Wang X 2017 Front. Mech. Eng. 12 46 Google Scholar
[10]	李荣彬, 杜雪, 张志辉 2015 超精密自由曲面光学设计、加工及测量技术 (北京: 机械工业出版社) 第 9 页 Li R B, Du X, Zhang Z H 2015 Design, Machining and Measurement Technologies of Ultra-precision Freeform Optics (Beijing: China Machine Press) p9 (in Chinese)
[11]	Beier M, Hartung J, Peschel T, Damm C, Gebhardt A, Scheiding S, Stumpf D, Zeitner U, Risse S, Eberhardt R, Tünnermann A 2015 Appl. Opt. 54 3530 Google Scholar
[12]	Stock J, Broemel A, Hartung J, Ochse D, Gross H 2017 Appl. Opt. 56 391 Google Scholar
[13]	Feng Z, Huang L, Gong M, Jin G 2013 Opt. Express 21 14728 Google Scholar
[14]	Zhang Y, Wu R, Liu P, Zheng Z, Li H, Liu X 2014 Opt. Commun. 331 297 Google Scholar
[15]	姚红兵, 丁勇, 辛忠华 2018 应用光学 39 423 Google Scholar Yao H B, Ding Y, Xin Z H 2018 J. Appl. Opt. 39 423 Google Scholar
[16]	梁文跃, 李远兴, 龙拥兵 2017 激光与光电子学进展 1 217 Google Scholar Liang W Y, Li X Y, Long Y B 2017 Las. Optoelect. Prog. 1 217 Google Scholar
[17]	Zhen R Z, Xiang H, Xu L 2009 Appl.Opt. 48 6627 Google Scholar
[18]	Chang L, Herbert G 2018 Appl.Opt. 57 5758 Google Scholar
[19]	Yang T, Zhu J, Wu X 2015 Opt. Express 23 10233 Google Scholar
[20]	Cheng D, Wang Y, Hua H 2011 Opt. Lett. 36 2098 Google Scholar
[21]	任瑞敏, 尹亚玲, 王志章, 郭超修, 印建平 2016 65 114101 Google Scholar Ren R M, Yi Y L, Wang Z Z, Guo C X, Yin J P 2016 Acta Phys. Sin. 65 114101 Google Scholar
[22]	姚远 2014 硕士学位论文 (杭州: 浙江大学) Yao Y 2014 M.S. Dissertation (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)
[23]	Ries H, Muschaweck J 2002 J. Opt. Soc. Am. A 19 590 Google Scholar
[24]	李林, 黄一帆, 王涌天 2015 现代光学设计方法 (北京: 北京理工大学出版社) 第355页 Li L, Hang Y F, Wang Y T 2015 Modern Optical Design (Beijing: Beijing Institute of Technology Press) p355 (in Chinese)

施引文献

图 1 目镜光学系统示意图

Fig. 1. Schematic diagram of eyepiece.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 入射光瞳面上光线坐标

Fig. 2. Coordinates of ray on the entrance pupil surface.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 广角目镜光学系统结构图

Fig. 3. Structure diagram of wide-angle eyepiece optical system.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 自由曲面面型拟合示意图　(a) 第5面面型; (b) 第6面面型

Fig. 4. Simulation of freeform surface shape: (a) Shape of surface 5; (b) shape of surface 6.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 MTF曲线图

Fig. 5. MTF of microscope eyepiece.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 场曲与畸变

Fig. 6. Field curvature and distortion.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 畸变网格

Fig. 7. Grid distortion.

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 广角显微目镜参数指标

Table 1. Design requirements for the wide-angle microscope eyepiece.

设计指标	数值
焦距/mm	10
放大倍率	25×
出瞳直径/mm	2
出瞳距离/mm	7
视场角/(°)	60
后截距/mm	5
畸变/%	< 5%

下载: 导出CSV

表 2 广角目镜光学系统参数

Table 2. Optical prescription data for wide-angle eyepiece optical system.

表面	半径/mm	厚度/mm	材料
物面	Infinity	Infinity
光阑	Infinity	7.11
2	–16.00	2.26	H-ZLAF78 B
3	–6.00	1.96	ZF4
4	–30.08	0.03
5^*	15.27	5.03	PMMA
6^*	–8.31	0.02
7	8.92	3.00	H-ZK7
8	33.30	1.98	ZF52
9	6.40	5
像面	Infinity	—
*表面5和6为非球面.

下载: 导出CSV

表 3 XY多项式系数

Table 3. XY polynomial coefficients.

	表面5	表面6
Conic	–4.00	–1.71
E₃	4.18 × 10^–3	0.017
E₅	5.64 × 10^–3	0.019
E₁₀	2.33 × 10^–3	3.00 × 10^–3
E₁₂	–8.73 × 10^–5	2.58 × 10^–4
E₁₄	–4.19 × 10^–5	1.10 × 10^–4
E₂₁	–4.19 × 10^–4	–5.56 × 10^–4
E₂₃	4.59 × 10^–6	6.61 × 10^–6
E₂₅	6.85 × 10^–8	4.95 × 10^–7
E₂₇	1.38 × 10^–7	2.77 × 10^–7
E₃₆	–7.25 × 10^–6	6.64 × 10^–9
E₃₈	6.09 × 10^–6	7.13 × 10^–6
E₄₀	3.81 × 10^–8	3.39 × 10^–7
E₄₂	5.18 × 10^–10	2.58 × 10^–8
E₄₄	–3.43 × 10^–10	7.32 × 10^–9

下载: 导出CSV

表 4 成像质量评价指标

Table 4. Evaluation index of imaging quality

评价指标	数值
40 lp/mm处MTF	> 0.3
畸变/%	< 5
场曲/mm	< 0.2

下载: 导出CSV

表 5 一般目视系统允许的相对畸变^[5]

Table 5. Distortion allowed by general visual systems.

视场角2ω^'	相对畸变δy_z^'
40°	5%
60°—70°	10%
> 70°	> 10%

下载: 导出CSV

表 6 公差系数

Table 6. Tolerance Parameter.

公差项	公差值
半径/mm	0.02
厚度/mm	0.03
元件倾斜/(°)	0.02
元件偏心/mm	0.02
不规则度/fringes	3
阿贝数/%	2
折射率	0.002

下载: 导出CSV

表 7 蒙特卡罗分析结果

Table 7. Results of Monte Carlo analysis.

概率	40 lp/mm处平均MTF
90%	0.508
80%	0.510
50%	0.523
20%	0.540
10%	0.549

下载: 导出CSV

map

[1]	Missig M D, Morris G M 1995 Appl. Opt. 34 2452 Google Scholar
[2]	孟祥翔 2015 博士学位论文 (长春: 中国科学院光学精密机械与物理研究所) Meng X X 2015 Ph. D. Dissertation (Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)
[3]	侯佳 2013 博士学位论文 (杭州: 浙江大学) Hou J 2013 Ph. D. Dissertation (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)
[4]	Yang T, Jin G F, Zhu J 2017 Chin. Opt. Lett. 06 81 Google Scholar
[5]	张以谟 2008 应用光学 (北京: 电子工业出版社) 第 494 页 Zhang Y M 2008 Applied Optics (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p494 (in Chinese)
[6]	Fang F Z, Zhang X D, Weckenmann A, Zhang G, Evans C 2013 CIRP Ann. 62 823 Google Scholar
[7]	Gissibl T, Thiele S, Herkommer A, Giessen H 2016 Nat. Commun. 7 11763 Google Scholar
[8]	Li H, Naples N J, Zhao X, Yi A Y 2016 Adv. Opt. Technol. 5 335 Google Scholar
[9]	Zhou T, Liu X, Liang Z, Liu Y, Xie J, Wang X 2017 Front. Mech. Eng. 12 46 Google Scholar
[10]	李荣彬, 杜雪, 张志辉 2015 超精密自由曲面光学设计、加工及测量技术 (北京: 机械工业出版社) 第 9 页 Li R B, Du X, Zhang Z H 2015 Design, Machining and Measurement Technologies of Ultra-precision Freeform Optics (Beijing: China Machine Press) p9 (in Chinese)
[11]	Beier M, Hartung J, Peschel T, Damm C, Gebhardt A, Scheiding S, Stumpf D, Zeitner U, Risse S, Eberhardt R, Tünnermann A 2015 Appl. Opt. 54 3530 Google Scholar
[12]	Stock J, Broemel A, Hartung J, Ochse D, Gross H 2017 Appl. Opt. 56 391 Google Scholar
[13]	Feng Z, Huang L, Gong M, Jin G 2013 Opt. Express 21 14728 Google Scholar
[14]	Zhang Y, Wu R, Liu P, Zheng Z, Li H, Liu X 2014 Opt. Commun. 331 297 Google Scholar
[15]	姚红兵, 丁勇, 辛忠华 2018 应用光学 39 423 Google Scholar Yao H B, Ding Y, Xin Z H 2018 J. Appl. Opt. 39 423 Google Scholar
[16]	梁文跃, 李远兴, 龙拥兵 2017 激光与光电子学进展 1 217 Google Scholar Liang W Y, Li X Y, Long Y B 2017 Las. Optoelect. Prog. 1 217 Google Scholar
[17]	Zhen R Z, Xiang H, Xu L 2009 Appl.Opt. 48 6627 Google Scholar
[18]	Chang L, Herbert G 2018 Appl.Opt. 57 5758 Google Scholar
[19]	Yang T, Zhu J, Wu X 2015 Opt. Express 23 10233 Google Scholar
[20]	Cheng D, Wang Y, Hua H 2011 Opt. Lett. 36 2098 Google Scholar
[21]	任瑞敏, 尹亚玲, 王志章, 郭超修, 印建平 2016 65 114101 Google Scholar Ren R M, Yi Y L, Wang Z Z, Guo C X, Yin J P 2016 Acta Phys. Sin. 65 114101 Google Scholar
[22]	姚远 2014 硕士学位论文 (杭州: 浙江大学) Yao Y 2014 M.S. Dissertation (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)
[23]	Ries H, Muschaweck J 2002 J. Opt. Soc. Am. A 19 590 Google Scholar
[24]	李林, 黄一帆, 王涌天 2015 现代光学设计方法 (北京: 北京理工大学出版社) 第355页 Li L, Hang Y F, Wang Y T 2015 Modern Optical Design (Beijing: Beijing Institute of Technology Press) p355 (in Chinese)

[1]	张航, 胡月姣, 陈嘉文, 修龙汪. 程能映射下配光平移群的深度神经网络实现. , 2022, 71(13): 134201. doi: 10.7498/aps.71.20220178
[2]	邬融, 孙明营, 周申蕾, 乔战峰, 华能. 衍射波导用于大视场角的物理问题. , 2020, 69(23): 234209. doi: 10.7498/aps.69.20200835
[3]	汤明玉, 武梦婷, 臧瑞环, 荣腾达, 杜艳丽, 马凤英, 段智勇, 弓巧侠. 菲涅耳非相干数字全息大视场研究. , 2019, 68(10): 104204. doi: 10.7498/aps.68.20182216
[4]	李四维, 吴晶晶, 张赛文, 李恒, 陈丹妮, 于斌, 屈军乐. 用于大景深单分子定位显微的多功能全息相位片的设计及数值模拟. , 2018, 67(17): 174202. doi: 10.7498/aps.67.20180569
[5]	钱鸿鹄, 孟炳寰, 袁银麟, 洪津, 张苗苗, 李双, 裘桢炜. 星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析. , 2017, 66(10): 100701. doi: 10.7498/aps.66.100701
[6]	杜杨, 刘鑫, 雷耀虎, 黄建衡, 赵志刚, 林丹樱, 郭金川, 李冀, 牛憨笨. X射线光栅微分相衬成像视场分析. , 2016, 65(5): 058701. doi: 10.7498/aps.65.058701
[7]	汤依伟, 艾亮, 程昀, 王安安, 李书国, 贾明. 锂离子动力电池高倍率充放电过程中弛豫行为的仿真. , 2016, 65(5): 058201. doi: 10.7498/aps.65.058201
[8]	聂敏, 任杰, 杨光, 张美玲, 裴昌幸. PM2.5大气污染对自由空间量子通信性能的影响. , 2015, 64(15): 150301. doi: 10.7498/aps.64.150301
[9]	毛杰键, 吴波, 付敏, 黄瑛, 杨建荣, 任博, 刘萍. 正压大气环流中的曲面周期波和孤波. , 2014, 63(18): 180204. doi: 10.7498/aps.63.180204
[10]	于万波, 赵斌. 曲面迭代混沌特性研究. , 2014, 63(12): 120502. doi: 10.7498/aps.63.120502
[11]	吴永丽, 杨勇, 翟宏琛, 马忠洪, 盖琦, 邓丽军. 利用综合复用技术拓展数字全息显微系统中的记录视场. , 2013, 62(8): 084203. doi: 10.7498/aps.62.084203
[12]	张驰, 胡明列, 宋有建, 张鑫, 柴路, 王清月. 自由耦合输出的大模场面积光子晶体光纤锁模激光器. , 2009, 58(11): 7727-7734. doi: 10.7498/aps.58.7727
[13]	步志超, 张淳民, 赵葆常, 朱化春. 大视场消色差温度补偿型风成像干涉仪调制度的分析与计算. , 2009, 58(4): 2415-2422. doi: 10.7498/aps.58.2415
[14]	刘全慧. 曲面上的动量和动能算符. , 2008, 57(2): 674-677. doi: 10.7498/aps.57.674
[15]	阮锴, 张淳民, 赵葆常. 高层大气风场探测改型大光程差Sagnac干涉仪全视场角光程差与横向剪切量的精确计算. , 2008, 57(9): 5435-5441. doi: 10.7498/aps.57.5435
[16]	杜娟, 张淳民, 赵葆常, 孙尧. 稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究. , 2008, 57(10): 6311-6318. doi: 10.7498/aps.57.6311
[17]	田金荣, 孙敬华, 魏志义, 王兆华, 令维军, 黄小军, 刘兰亭, 魏晓峰, 张　杰. ?ffner展宽器高倍率展宽脉冲的理论与实验研究. , 2005, 54(3): 1200-1207. doi: 10.7498/aps.54.1200
[18]	薛纭, 陈立群, 刘延柱. 受曲面约束弹性细杆的平衡问题. , 2004, 53(7): 2040-2045. doi: 10.7498/aps.53.2040
[19]	吕君丽, 王永久. 轴对称荷电动态黑洞的特征曲面. , 1999, 48(3): 389-394. doi: 10.7498/aps.48.389
[20]	程素君, 蒋亚玲, 闫荣义. 匀加速直线运动的Kerr黑洞的特征曲面. , 1998, 47(1): 168-176. doi: 10.7498/aps.47.168

计量

文章访问数: 8400
PDF下载量: 122
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板