基于ZEMAX的显微物镜设计

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S. . . . . .. 学院编号：

大学生课外科技实践创新活动基金项目申请书

（自然科学类）

课题名称： 基于ZEMAX的显微物镜设计

申 请 人 冬

指导教师 科

所 在 系 电子工程学院光电信息科学与工程系

起止年月： 2016年4月-2017年3月

填报日期： 2016年4月21日

师学院科研处

二○一三年制 １ 填 报 说 明

一、编写申请书之前请认真阅读本填表说明。申请书所列容必须实事，逐项认真填写，表达要明确严谨。对于填写容含糊不清、不合要求、手续不全的申请书不予受理。

二、课题申请书作为课题执行过程中检查、验收等管理活动的重要依据文件，由课题负责人填写。

三、学院编号不要填写，由科研处统一编排。

四、3-4页不得出现申请人的任何背景资料，否则作废。3-4页与前面的表格分开装订。

五、申请书中有关栏目不敷填写时可另附页说明。

申请人承诺

我保证如实填写本表格各项容。如果获得立项，承诺以本表为有约束力的协议，遵守我院大学生科技实践创新活动基金管理办法，认真开展研究工作，取得预期成果。如果成果发表或发布，我将注明是师学院学生科技创新基金支持项目。

申请人（签字）：

年 月 日

２

申请人 冬 性别 女 民族 汉 出生日期 1998.09．11

政治面貌 团员 所 在 系 电子工程学院 专 业 光电信息科学与工程专业

学 号 1406020219 学校住址 市田家庵区泉山校区

E-mail Sundong_1314126. 联系

主

要

参

加

者 姓 名 性别 出生年月 所在系 专 业 项目分工 签名

冬 女 1998.09.11 电子工程学院 光电信息科学与工程专业 实验操作

王琪 女 1996.8.11 电子工程学院 光电信息科学与工程专业 实验操作

桂杰玉 女 1996.9.28 电子工程学院 光电信息科学与工程专业 理论分析

指导教师 性 别 学 位 职 称 单 位 研究专长 联系

科 男 硕士 助理实验师 电工学院 激光

指导教师意见：

签名：

年 月 日

项目负责人所在单位审核意见 ３

申请书所填写的容是否属实；本系能否提供完成本项目所需的时间和条件；本系是否同意本项目的管理任务和信誉保证。

单位公章：

单位负责人签名：

年 月 日

以上容和下面容分开装订。以下申报页不得出现申请人的背景材料，否则作废，

学院编号

课题名称 基于ZEMAX的显微物镜设计

起止时间 2015年4月-2016年3月 预期成果 8000字左右学术论文

项目研究容摘要（不超过400字）

显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、原位成像等特点，被广泛用于电子工业、半导体工业、IT产业、医疗、科研等领域。物镜是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接影响成像的质量和各项光学技术参数，对显微镜系统的成像能力起到决定性作用，是衡量一台显微镜质量的首要标准。现代显微物镜仍存在很大的局限性,其视场小、数值孔径和视场中心的分辨率与理论值之间还有一定的差距，因此继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成象质量是十分必要的。ZEMAX 是一套是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的光学设计仿真软件，能够在光学系统设计中实现建模、模拟、分析和其他的辅助功能。本研究工作主要采用ZEMAX软件，将已有的显微物镜结构型式作为初始结构进行像差校正，利用缩放法设计平场显微物镜，并充分利用ZEMAX的光学系统像差分析功能，对原有物镜系统进行全面的像差分析、优化，观察各参数变动对系统结构变化和像差、点列图、光学传递函数变化的影响；然后综合分析各个影响较大的参数，选其作为优化变量，再由ZMAX进行自动优化，进而完成对显微物镜设计工作。。

关键词（3-5个） 显微物镜 ZEMAX 光学设计 缩放法 像差校正 ４ 课题设计论证（可附页）

1.同类课题国外研究状况；2.本课题研究的意义（理论意义和实践意义）；3.本课题拟研究的主要容、重点和难点；4.本课题的研究方法；5.预期的成果；6.相关参考文献。

1、国外研究状况

显微技术在各个领域发挥了重要的作用， 至今显微镜仍广泛应用于科学领域，应用前景很好，在物质微小区域进行化学成分分析、显微形貌察、微观观结构测定等方面都起着重要的作用。最初的显微镜产生于十六世纪末期，17 世纪中期，英国科学家虎克制做了最早的复式显微镜在生理学研究方面有重大突破[1]，1684年惠更斯设计了现今仍在使用的生物显微镜，当时的显微镜物镜没有校正像差, 镜径又小，球面像差和色像差严重。在复式显微镜发明之后的两个世纪中，尽管许多科学家和光学制造商作了许多的努力，他们用不同透镜及不同光阑的组合进行了种种尝试， 却收效甚微[2]。1824年法国物理学家塞利格提出了一个为高倍显微镜消色差的方法即把几个低倍消色差物镜用螺旋推动以联合使用，这样就可避免制造十分短的焦距的物镜而又能得到较高倍率的消色差物镜。根据塞利格的方法，薛瓦利埃于1825年制成了消色差显微镜；C.薛瓦利埃于1834年制成的消色差显微镜还附有反射物镜、聚光镜及偏光元件等[3]；1855年意大利的阿米奇设计成功一种消色的中倍显微镜物镜；1878年德国物理学家阿贝成功设计制成油浸显微镜，显微镜的分辨本领已达到其理论极限（0.2um），而且在照明系统和机械结构等方面这时都已达到合理的定型[4]。 在阿贝的现代显微镜制成之后，光学显微镜并未停止发展.。除了阿贝在18 86 年制成复消色差物镜和伯格霍尔德于1950 年设计成功平场复消色差物镜之外，20 世纪的前半个世纪里，光学显微镜有如下两个方面的发展。 第一，为了观察生物标本的不同结构，提供多方面信息而设计成( 或改良) 一些特种显微镜，如暗场显微镜、偏光显微镜、荧光显微镜、离心显微镜等。 这一类显微镜我们称之为第一类特种显微镜。 第二，仅为工作上的方便而设计成的一些特种显微镜，如倒置显微镜、体视显微镜、袖珍显微镜等。这一类显微镜，我们称之为第二类特种显微镜。

在20 世纪后半个世纪中，还将激光和电子技术引人光学显微镜中。1932年Rushka等人根据电子光学与光学的相似性， 并参考光学显微镜的结构，在德国柏林大学成功制造了第一台电子显微镜[5]。1952年，诺马斯基发明了干涉相位差光学系统。1978年, 一种新的物理探测系统———扫描隧道显微镜被德国学者宾尼和瑞士学者罗雷尔系统地论证了, 并于1982年成功制造。这种新型的显微镜,横向分辨率达到0.01 nm, 纵向分辨率达到0.001nm, 使单个原子的操作成为了可能。在扫描隧道显微镜(STM)原理的基础上, 结合各个领域的新要求, 发明了一系列新型显微镜[6]。如原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、扫描热显微镜、扫描隧道电位仪(STP)等等。光学仪器 ５ 的核心部分是光学系统，光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏，二百多年来,

人类一直以不断提高显微镜分辨本领而努力创新, 一个高质量的的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成，现今的显微物镜存在局限性，视场小、场曲和色差比较严重，因而研究显微物镜设计对于改进成像质量具有实际意义。本文以ZEMAX光学设计软件为基础，利用ZEMAX的像差分析功能和自动优化功能并利用缩放法对成像质量进行改善。

2、 研究意义

光学仪器的核心部分是光学系统，光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。光学显微镜的应用相当广泛，在诸多专业领域需要特定的专用光学显微镜，但由于现今的显微物镜存在局限性，视场小、场曲和色差比较严重，因而研究显微物镜设计对于改进成像质量具有实际意义。基于ZEMAX软件设计出的显微物镜具有分辨率高、改善色差、视场大等优点，对当今的科研、生产、医疗等众多领域都有着重要的意义。

3、主要容、重点与难点

3.1 主要容

1、初步了解数值孔径（NA）、放大率（β）和线视场（y）是三个表征显微物镜性能的主要参数；

2、运用“缩放法”得到要求的设计参数，再利用ZEMAX的光学系统像差分析功能，自动优化进行像差校正，最终达到设计目的和要求。

3.2 课题重点

本论文的重点在于初始结构的选型，关系到整个显微物镜设计的成败。

3.3 课题难点

本论文的难点在于像质的评价分析，在做论文过程中我们要解决这个难点以达到显微镜设计要求改善成像。

4.本课题的研究方法

本课题运用所学知识、图书馆文献、网络资源和实地调研相结合的方法，了解国外关于显微物镜的研究现状。另外结合光学设计软件ZEMAX与技术实验室的显微物镜利用缩放法进行不同程度地改善像差以达到设计要求，达到满意的成像质量。

5、预期成果

8000字以的调研报告或学术论文，期望显微物镜设计方面有更新创意。

6、参考文献 ６ [1]：王莉、洪、丽丽；显微镜的发展综述，出版源《科技信息》, 2009(11)；

[2]:唐玄之、明；光学显微镜简史；《物理》1995年第7期 439-444页；

[3]：王付银；浅谈摄影之为艺术；《师大学报:社会科学版》, 2011(S2):116-118页；

[4]：朱星；近场光学显微镜；《现代科学仪器》, 1998(Z1):84-89页；

[5]:高绍璞,彦,震东；现代生物显微技术的现状与发展趋势；农业科学，2003,31(2):243-245页；

[6]马红伟；显微镜在表面分析技术中的应用及发展趋势；

７ 完成项目的条件和保证

1.负责人和主要成员曾参与或组织完成过哪些科技创新活动，获得过哪些成果（只列举活动及成果名称，不得出现）；

2.完成本课题的研究能力及时间保证。

负责人和主要成员曾参与机械工业学校进行金工实习、大学生野外无线电测向活动社会实践活动，取得了较好成绩。本课题组成员动手能力较强，发现问题、分析问题、运用所学过的知识和技能解决问题的能力以及创新意识和创新能力较高。

本小组成员全部为光电信息科学与工程专业在读本科生，对工程光学、模拟电子技术，信息光学，光电子技术等课程有了基本的了解，对本课题研究容已有了初步的认识，并具备了一定的知识积累，可以胜任本课题的研究工作。

本小组成员下半年已经完成主要基本课程的学习，工作时间集中在平时课余时间、双休日或者寒暑假的小学期，因此具有充足的时间保证课题的顺利进行。

经费预算