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)

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参考文献

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施引文献

图 1 目镜光学系统示意图

Fig. 1. Schematic diagram of eyepiece.

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图 2 入射光瞳面上光线坐标

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

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图 3 广角目镜光学系统结构图

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

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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.

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图 5 MTF曲线图

Fig. 5. MTF of microscope eyepiece.

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图 6 场曲与畸变

Fig. 6. Field curvature and distortion.

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图 7 畸变网格

Fig. 7. Grid distortion.

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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%

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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	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.

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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
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

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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δy_z^'
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/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

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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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