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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

显微镜是人类20世纪最伟大的发明物之一。人类在此之前关于周围世界的观念局限在用肉眼所看到的东西。显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器

显微镜也是有很多种类的，从刚开始的光学显微镜发展到电子显微镜，放大的倍数越来越大，人们所观测到的越来越多，而我的研究课题主要是针对的是光学显微镜，对于显微镜的结构不同，显微镜的镜片数量也会和镜片的曲率半径等等因素都会影响到成像的质量以及观测的倍数，也正因如此造成了光学显微镜的种类也是多种多样，使用的场合不同。

（1）生物显微镜：是用来观察生物切片的显微镜生物显微镜用来供医疗卫生单位、高等院校、研究院所用于微生物、细胞、细菌、组织培养等的观察，可连续观察细胞、细菌等在培养液中繁殖分裂的过程等。

（2）体视显微镜:又称立体显微镜，操作简便，对标本要求不高，工作距离长，观察时有较强的立体感，可以对实物进行观察，也可以在观察的同时对标本进行一些操作。而不是像生物显微镜那样需要对标本进行切片处理，切片需要相应的技术和设备。因此，体视显微镜在微电子、精密仪器仪表装配与维修、微雕等领域有很广泛的应用。在生物、医学领域广泛用于解剖操作和显微外科手术(目前已归类为手术显微镜),用于生物、医学领域其光源只能用冷光源(光纤);在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。

（3）金相显微镜 :很多人都喜欢写成'金像显微镜'， 金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射显微镜中观察，故相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。

由于需要对更细微的物体进行观察，我们对于显微镜的设计以及光路搭建也显得尤为重要，更好的显微镜光机结构设计有利于我们的生产制造，以及对细微分子研究、医学等方面发展尤为重要。

国内外研究现状

显微镜的出现，把一个全新的世界展现在人类的视野里，人们对于微观世界有了更深的兴趣，也催使人们前仆后继对于显微镜的发展进行研究。而由于信息产业的高速发展，人们对于软件的设计也日益成熟，zemax等软件的诞生促使着光学设计飞速发展。

ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统。

ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，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一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX 的界面简单易用， 只需稍加练习， 就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。

ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

有了好的软件和硬件条件，显微镜技术越来越成熟，其细分领域和种类越来越清晰，在众多显微镜类别中，光学显微镜和电子显微镜便是其中两类。光学显微镜的种类很多，主要有明视野显微镜(普通光学显微镜)、暗视野显微镜、荧光显微镜、相差显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、偏光显微镜、微分干涉差显微镜、倒置显微镜等；它们均在生物、医疗等领域发挥着重要作用。这些年以来，我们全球的科学家们的研究成果也是很喜人的。

1. 中科院实验室成功研制激光扫描实时立体显微镜

中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室超分辨成像团队研制成功双光子激发激光扫描实时立体显微镜，首次把基于双目视觉的立体显微方法和高分辨率双光子激发激光扫描荧光显微技术结合在一起，实现了对三维荧光样品的高速立体成像。

2. 澳专家研制出使用条形码激光扫描技术的新型显微镜

澳大利亚国立大学2月23日宣布，该校研究人员制造出一台新型显微镜，能够使用条形码激光扫描技术拍摄活体动物血管内的血细胞和脑神经元的动态影像。通过在激光显微镜中安置条形码扫描仪所使用的多面镜，照明激光经过速度可变的可转动多面镜的反射，可以对生物样本进行快速扫描。新技术将以往常用的10面镜增加到36面镜，同时增加激光强度，实现激光射线扫描速度加倍，时间缩短到数千分之一秒。

3. 科学家研制出新型量子显微镜

通过钻石打造的探头，量子显微镜可以协助科研人员研究纳米尺度微观世界的奥秘，诸如 DNA 如何在细胞内折叠、药物如何作用、细菌如何代谢金属等。至关重要的是，量子显微镜可以给溶液中的离子单独成像，揭示正在发生的生物化学反应，而不干涉反应过程。2月14日，研究这种系统的一个团队在 ArXiv 服务器上发布预印本阐述了他们的研究成果。能够提供铜离子的量子磁共振影像，揭示正在发生的生物化学反应，而不干涉反应过程，这在科研创新领域又有了新的突破，今后将更广泛地应用于生物学领域。

4. 新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜成功研制

扫描透射电子显微镜首次观测金原子内部电场分布情况电子显微镜是物理化学、材料科学、生命科学等研究领域不可缺少的检测仪器之一，可对微生物、小分子等进行观测，从而得出重要的研究成果。目前最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)和多分区检测器，首次成功观测到金原子内部电场的分布情况——该电场分布在原子核与电子云之间不到0.1纳米的区域内。最新成果对观察原子内部精密结构极为重要，使未来直接观察原子间如何结合成为可能。该成果发表于近日出版的《自然通讯》网络版上。

5. 美研发显微镜技术寻外星生命 可对外太阳系微生物识别

据消息称，美国科学家团队正在研发一种全新的显微镜技术，并将利用它来确定外星生命是否真的存在。该设备是一种数字全息显微镜，可有效地对外太阳系微生物进行采样和识别。研究人员将通过分析该运动，确定目标对象是否是生物体或是非生物体。研究人员表示，目前提供的证据表明，使用激光记录3D图像的数字全息显微镜技术，可能是人类发现太空微生物的最佳选择。

6. 日本科研团队开发出新型全息显微镜

作为一种精密的光学仪器，显微镜已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。如今，全球制造技术快速发展，显微镜的应用范围变得愈来愈广，显微镜行业迎来新一轮发展机遇。

2. 研究的基本内容

首先进行zemax的光学系统的搭建，进行初始结构的的选取工作，对于光线追踪观测光线是否偏离系统，利用函数进行垂轴放大率40倍的控制，完成对于一个40倍光路结构的搭建，最后完成光机的合理组装

主要内容包括：系统方案的设计、初始结构的选型、模型的设计与仿真、利用默认函数分析全局优化局部优化、系统的制作与调试以及数据观测，最后利用SolidWorks进行系统的装配等工作。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

本文对基于光线追踪的40x显微物镜光机结构设计进行研究。在合理初始结构的基础上，着重观测像差，畸变，公差等数据和实验模型的设计与制作。

（1）首先，选取合适zemax初始结构

（2）重点分析是否系统是否完成了40倍的垂轴放大率的条件，以及对系统的像差，场曲，畸变，观测控制，并且给出相应的实验数据和结果分析

4. 参考文献

[1] 郁道银、谈恒英，《工程光学》，机械工业出版社。 [2] 李林、黄一帆，《应用光学》，北京理工大学出版社。 [3] 刘　钧，高　明，《光学设计》，西安电子科技大学出版。 [4] 林晓阳，《zemax光学设计》，人名邮电出版社。 [5] 何湘艳，陈莹花，廖文哲，等．基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计[J] 。光学仪器，2013，35(5):41-43. [6]李利，吴平，马鹤．大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计[J] ．光学仪器，2012,34(3)：29-31. [7] 刘雪翠，变焦距手机镜头设计[J] ,电子技术与软件工程，2016-07-01 [8] 陈驰，折反射超短焦投影镜头设计[J] ，浙江大学，2016-01-01 [9] 倪绿汀、程萍、位迪，基于ZEMAX的非球面摄影镜头设计[J] ，合肥工业大学学报，2012-11-28 [10] Land M F，Land M F. Animal Eyes［M］. Animal Eyes. Oxford：Oxford University Press，2012. [11] Kleinlogel S. Electrophysiological evidence for linearpolarization sensitivity in the compound eyes of the stomatopod crustaceanGonodactylus chiragra [J] . Journal of Experimental Biology, 2006, 209(21):4262-4272.