中等倍率显微物镜的新设计

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数值孔径分别为40倍和065的显微物镜业已完成了一种新的设计。这种新的设计物镜所采用的系统包含五片光学元件，但其结构形式却和经典的阿米西（AMICI）结构不一样。文章中，我们把新的设计同阿米西型式作了比较，结果发现，这里提出的新型结构较之经典的阿米西系统具有更优良的性能。
1.引言
一般来说，数值孔径介于0.50-0.85之间的中等倍率的消色差显微物镜，其设计思想都是根据五片光学元件的阿米西（AMICI）结构作出来的。其第一片光学元件是一块厚的平凸透镜，其后面是两组球差和色差均为教正过的里丝托（LISTER）型双脱合透镜组，这种结构极为流行，以致迄今止，所有的普通消色差干物镜都是按照这种系统形式来设计制作的。
在这篇文章里，我们为中等倍率显微物镜提出另一类五片式光学元件的新结构。按照这个结构设计，其放大率和数值孔径分别为40倍和065。为了将此设计结果和传统的阿米西（AMICI）结构在性能上作个比较，我们还根据阿米西（AMICI）结构形式，并且以同样的放大率和数值孔径进行了一个设计。两个设计都是在最佳的透镜程序下进行的，该程序几阻尼最小二乘法。对于特殊的光组结构，它能给出最佳的一些设计结果。
本文提出的新系统只采用一个负透镜，而不象阿米西型式那样用了两个负透镜。它的前片是弯月透镜，第二块透镜是双凸的，其后是一组负光焦度的双胶合透镜，而最后一片又是双凸透镜。新设计方案和阿米西型式的性能由它门的像差曲线来做比较。由此曲线可见，新设计系统的像差要比阿米西型来的小。
新的设计方案还同另一种由Conrady设计的放大率为22.5倍，数值孔径为0.66，它是采用匹配原理设计出来的，即使如此，新的设计在像差校正上仍然有过之而无不及。2.系统结构和最佳化条件
如前所述，我们新设计的系统采用了五片学元件，取通常的计算方向即从像方到物方作为显微物镜的设计计算方向，光学元件的系统布置如图1所示。于是，第一块透镜是正的，第二块是负的，而且第三，第四和第五块透镜又都是正的。第二和第三块透镜安排组成一个负的双胶合透镜型式。此双胶合透镜和第一块透镜之间有一个较大的距离，所以，在此双胶合透镜上主向光束高度比第一块明显地低的多，它的特点相当于Cooke的三块透镜系统，这就有助于改善轴外像的质量。另外，由于在此双胶合透镜的第一个面上入射角很大，光线偏斜也很大，从而引入相当大的负球差，于是，大大有利于校正整个系统的球差。双胶合透镜的第二面也引进负球差，但是，因为这个面造成的光线偏离很小，所以负球差也十分小在双胶合透镜的第三面上，因为入射角很小，所以，不致带来很大的球差。第四个光学元件是双凸透镜，并在次透镜的第一面上满足近明几条件，而在第二面上，边缘光线的高度非常小，因而它对球差方面的贡献也很小；最后一块光学件是朝物体方向弯曲的深弯月透镜，这种弯月形大大有利于球差的校正。在此透镜的第一面上如射光线近乎是垂直的，而再第二面上（也即系统的最后一面），边缘光线高度很小，这一点也有助于减小此透镜的球差。为了做两个光组的设计，放大率和数值孔径分别选40倍和0.65。这些数据是广泛采用的数据。盖玻璃的厚度是0.17毫米。为了保证焦性，不计物镜的情况下，物体到像的距离是193.6毫米，这样使的我们能够采用160毫米的一种镜筒长度（从物镜的肩部到物镜像的距离）和同样的肩高33.6毫米（从物平面到物镜肩部的距离），这些都是一般主要制造厂家广泛使用得数值。两种设计的工作距离都为0.6毫米。
新的设计中所使用的玻璃采用Calcutta,CGCRI制造的玻璃产品目录。正透镜采用VBC610573号玻璃，而负透镜则采用EDF700303号玻璃。这些玻璃也可以在ChancePilkington和Schott玻璃牌号中得到。若正透镜采用诸如高折射率低色散那种更合适的玻璃，则将获得更加的设计结果。但是为了能够作一番比较，仍未采用这种玻璃，阿米西型的设计也宾没用过这种玻璃。对于阿米西型结构设计，所使用的玻璃也取自CGCRI玻璃产品目录，并且根据Comrade的推荐来选取它门的玻璃牌号。
为里使透镜系统达到最佳化，在孔径和视场的各个采样点上选出十四条光线，最初的像尺寸决定了物镜的物方视场为15毫米，根据这十条光线的横向像差和Conrady色差的计算求的特征函数（定义为权重球差的平方和）。在汞灯的e线下，单色像差得到平衡，而C-F波段上则用Conrady的（d-的）公式来平衡色差，不能允许工作距离小于0.6毫米。在新的设计中，透镜厚度不受任何具体数值所控制，而是通过在整个玻璃厚度（所有透镜厚度之和）和弯月透镜最小边缘厚度上有一些限制的程序来自由选择，如果玻璃厚度允许较大的话，系统将得到改善，空气间隙不能小于0.05毫米。朝向像方的透镜倾向后一些，其最大厚度允许达到5.56毫米。另外两个透镜可以在保证其边缘有一个合适厚度的情况下选取它门的厚度。在阿米西型设计中，负透镜厚度的趋势是越来越薄，但它们的厚度已被保持在0.07毫米以上。