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0431-81702023
光學工程
中等倍率顯微物鏡的新設計
      數值孔徑分別為40倍和065的顯微物鏡業已完成了一種新的設計。這種新的設計物鏡所采用的系統包含五片光學元件,但其結構形式卻和經典的阿米西(AMICI)結構不一樣。文章中,我們把新的設計同阿米西型式作了比較,結果發現,這里提出的新型結構較之經典的阿米西系統具有更優良的性能。  
      1.引言  
      一般來說,數值孔徑介于0.50-0.85之間的中等倍率的消色差顯微物鏡,其設計思想都是根據五片光學元件的阿米西(AMICI)結構作出來的。其第一片光學元件是一塊厚的平凸透鏡,其后面是兩組球差和色差均為教正過的里絲托(LISTER)型雙脫合透鏡組,這種結構極為流行,以致迄今止,所有的普通消色差干物鏡都是按照這種系統形式來設計制作的。  
      在這篇文章里,我們為中等倍率顯微物鏡提出另一類五片式光學元件的新結構。按照這個結構設計,其放大率和數值孔徑分別為40倍和065。為了將此設計結果和傳統的阿米西(AMICI)結構在性能上作個比較,我們還根據阿米西(AMICI)結構形式,并且以同樣的放大率和數值孔徑進行了一個設計。兩個設計都是在最佳的透鏡程序下進行的,該程序幾阻尼最小二乘法。對于特殊的光組結構,它能給出最佳的一些設計結果。  
      本文提出的新系統只采用一個負透鏡,而不象阿米西型式那樣用了兩個負透鏡。它的前片是彎月透鏡,第二塊透鏡是雙凸的,其后是一組負光焦度的雙膠合透鏡,而最后一片又是雙凸透鏡。新設計方案和阿米西型式的性能由它門的像差曲線來做比較。由此曲線可見,新設計系統的像差要比阿米西型來的小。  
      新的設計方案還同另一種由Conrady設計的放大率為22.5倍,數值孔徑為0.66,它是采用匹配原理設計出來的,即使如此,新的設計在像差校正上仍然有過之而無不及。   2.系統結構和最佳化條件  
      如前所述,我們新設計的系統采用了五片學元件,取通常的計算方向即從像方到物方作為顯微物鏡的設計計算方向,光學元件的系統布置如圖1所示。于是,第一塊透鏡是正的,第二塊是負的,而且第三,第四和第五塊透鏡又都是正的。第二和第三塊透鏡安排組成一個負的雙膠合透鏡型式。此雙膠合透鏡和第一塊透鏡之間有一個較大的距離,所以,在此雙膠合透鏡上主向光束高度比第一塊明顯地  低的多,它的特點相當于Cooke的三塊透鏡系統,這就有助于改善軸外像的質量。另外,由于在此雙膠合透鏡的第一個面上入射角很大,光線偏斜也很大,從而引入相當大的負球差,于是,大大有利于校正整個系統的球差。雙膠合透鏡的第二面也引進負球差,但是,因為這個面造成的光線偏離很小,所以負球差也十分小在雙膠合透鏡的第三面上,因為入射角很小,所以,不致帶來很大的球差。第四個光學元件是雙凸透鏡,并在次透鏡的第一面上滿足近明幾條件,而在第二面上,邊緣光線的高度非常小,因而它對球差方面的貢獻也很小;最后一塊光學件是朝物體方向彎曲的深彎月透鏡,這種彎月形大大有利于球差的校正。在此透鏡的第一面上如射光線近乎是垂直的,而再第二面上(也即系統的最后一面),邊緣光線高度很小,這一點也有助于減小此透鏡的球差。為了做兩個光組的設計,放大率和數值孔徑分別選40倍和0.65。這些數據是廣泛采用的數據。蓋玻璃的厚度是0.17毫米。為了保證焦性,不計物鏡的情況下,物體到像的距離是193.6毫米,這樣使的我們能夠采用160毫米的一種鏡筒長度(從物鏡的肩部到物鏡像的距離)和同樣的肩高33.6毫米(從物平面到物鏡肩部的距離),這些都是一般主要制造廠家廣泛使用得數值。兩種設計的工作距離都為0.6毫米。  
      新的設計中所使用的玻璃采用Calcutta,CGCRI制造的玻璃產品目錄。正透鏡采用VBC610573號玻璃,而負透鏡則采用EDF700303號玻璃。這些玻璃也可以在Chance Pilkington 和 Schott 玻璃牌號中得到。若正透鏡采用諸如高折射率低色散那種更合適的玻璃,則將獲得更加的設計結果。但是為了能夠作一番比較,仍未采用這種玻璃,阿米西型的設計也賓沒用過這種玻璃。對于阿米西型結構設計,所使用的玻璃也取自CGCRI玻璃產品目錄,并且根據Comrade的推薦來選取它門的玻璃牌號。  
      為里使透鏡系統達到最佳化,在孔徑和視場的各個采樣點上選出十四條光線,最初的像尺寸決定了物鏡的物方視場為15毫米,根據這十條光線的橫向像差和Conrady色差的計算求的特征函數(定義為權重球差的平方和)。在汞燈的e線下,單色像差得到平衡,而C-F波段上則用Conrady的(d-的)公式來平衡色差,不能允許工作距離小于0.6毫米。在新的設計中,透鏡厚度不受任何具體數值所控制,而是通過在整個玻璃厚度(所有透鏡厚度之和)和彎月透鏡最小邊緣厚度上有一些限制的程序來自由選擇,如果玻璃厚度允許較大的話,系統將得到改善,空氣間隙不能小于0.05毫米。朝向像方的透鏡傾向后一些,其最大厚度允許達到5.56毫米。另外兩個透鏡可以在保證其邊緣有一個合適厚度的情況下選取它門的厚度。在阿米西型設計中,負透鏡厚度的趨勢是越來越薄,但它們的厚度已被保持在0.07毫米以上。

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