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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 XOZplane and YOZplane. 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.
2.

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.
2.

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

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

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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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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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