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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

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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

Design of microscope eyepiece with high magnification and wide field of view based on freeform surface

Guo Yu-Tong, Chang Jun, Hu Yao-Yao, Zhong Yue, Song Da-Lin
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  • 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XOZYOZ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.
    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.
      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
      Corresponding author: Chang Jun, bitchang@bit.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61471039)
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  • 图 1  目镜光学系统示意图

    Fig. 1.  Schematic diagram of eyepiece.

    图 2  入射光瞳面上光线坐标

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

    图 3  广角目镜光学系统结构图

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

    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.

    图 5  MTF曲线图

    Fig. 5.  MTF of microscope eyepiece.

    图 6  场曲与畸变

    Fig. 6.  Field curvature and distortion.

    图 7  畸变网格

    Fig. 7.  Grid distortion.

    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/mm10
    放大倍率25×
    出瞳直径/mm2
    出瞳距离/mm7
    视场角/(°)60
    后截距/mm5
    畸变/% < 5%
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    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InfinityInfinity
    光阑Infinity7.11
    2–16.002.26H-ZLAF78 B
    3–6.001.96ZF4
    4–30.080.03
    5*15.275.03PMMA
    6*–8.310.02
    78.923.00H-ZK7
    833.301.98ZF52
    96.405
    像面Infinity
    *表面5和6为非球面.
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    表 3  XY多项式系数

    Table 3.  XY polynomial coefficients.

    表面5表面6
    Conic–4.00–1.71
    E34.18 × 10–30.017
    E55.64 × 10–30.019
    E102.33 × 10–33.00 × 10–3
    E12–8.73 × 10–52.58 × 10–4
    E14–4.19 × 10–51.10 × 10–4
    E21–4.19 × 10–4–5.56 × 10–4
    E234.59 × 10–66.61 × 10–6
    E256.85 × 10–84.95 × 10–7
    E271.38 × 10–72.77 × 10–7
    E36–7.25 × 10–66.64 × 10–9
    E386.09 × 10–67.13 × 10–6
    E403.81 × 10–83.39 × 10–7
    E425.18 × 10–102.58 × 10–8
    E44–3.43 × 10–107.32 × 10–9
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    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
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    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δyz'
    40°5%
    60°—70°10%
    > 70° > 10%
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    表 6  公差系数

    Table 6.  Tolerance Parameter.

    公差项公差值
    半径/mm0.02
    厚度/mm0.03
    元件倾斜/(°)0.02
    元件偏心/mm0.02
    不规则度/fringes3
    阿贝数/%2
    折射率0.002
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    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
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-02
  • 修回日期:  2020-02-24
  • 刊出日期:  2020-05-05

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