大数值孔径生物显微物镜杂散光分析及测量

发布时间：2020-11-06 19:03

　　 显微镜是现代医学领域的重要检测工具之一,显微镜的性能主要由显微物镜决定。一款优秀的生物显微物镜不仅体现在最优的光学像差控制、精良的加工和装配,更体现在优异的杂散光抑制方面。杂散光会使显微镜像面图像对比度下降,从而导致调制传递函数MTF下降,层次减少,清晰度变坏。因此良好的杂散光抑制是光学系统能够获得高性能成像质量的前提和基础,这就要求光学系统设计成型前必须进行杂散光分析,光学加工装调成型后必须进行杂散光测试。随着计算机光学辅助设计的发展,显微物镜杂散光仿真分析成为可能,本论文根据显微物镜杂散光测试仪的设计需求立题,研究不同测试条件及不同光机表面散射对显微物镜杂散光系数的影响,内容包括以下几个方面:(1)显微物镜杂散光测试仪方案设计:根据黑斑法测量杂散光系数的理论基础以及国家标准,设计了测量显微物镜杂散光系数的测试仪,从照明系统到黑斑基板、从被测物镜到像面测试积分球光电倍增管,均进行了详细的光能传播分析,并以此为依据对杂散光测试仪进行元器件选型,最后对各关键部分的连接进行结构设计,完成了显微物镜杂散光测试仪总体设计;(2)基于黑斑法测量显微物镜杂散光物理模型的建立:根据杂散光理论基础分析显微物镜的散射表面和杂散光路径,结合现有物镜的光学、机械设计方案,建立基于黑斑法显微物镜杂散光测试仪的模型,并采用TracePro光学仿真软件进行边界条件设置,包括光源发散角和光强、机械零件和光学表面的BRDF参数、带黑斑(不带黑斑)的基板透过率、像面探测器的位置和尺寸大小,对98倍、NA=1.28的显微物镜分别更换带黑斑基板和不带黑斑基板来测量,得出其杂散光系数为13.07%,验证了显微物镜杂散光测试仪仿真模型的可行性;(3)不同测试条件下显微物镜杂散光系数分析:通过更改仿真模型中的实验参数,如照明数值孔径、照明视场、离焦量、黑斑在视场中位置等,分别探究了他们对杂散光系数的影响,并得出以下结论:杂散光系数随照明数值孔径和照明视场范围的增大而增大;对98倍、NA=1.28的显微物镜,四倍离焦量为小值,易于通过手动调焦至视场清晰,所以离焦量对杂散光系数的影响可以不计考虑;显微物镜的杂散光系数随黑斑与中心视场偏移量的增大逐渐减小(除边缘视场外),即最大杂散光系数来源于中心视场,表明中心视场的杂散光特性具有代表性,体现了显微物镜光学系统最大杂散光水平;(4)光机表面散射参数对显微物镜杂散光系数影响分析:通过对不同NA显微物镜光学表面散射BRDF参数的设定,深入探究光学表面不同粗糙度(2nm、5nm、10nm、20nm)、不同镜面颗粒污染水平(100、230、500、750)和机械结构表面是否消光染黑对杂散光系数测量的影响。提出有效减小显微物镜系统像面杂散光系数的途径有--光学精加工中严格控制表面粗糙度的大小、保证镜面洁净程度在基本洁净水平以下以及采用类似Avian Black-S的消光材料对机械结构表面进行染黑。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TH742.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 杂散光分析的发展概况
        1.2.1 国外杂散光分析发展概况
        1.2.2 国内杂散光分析发展概况
    1.3 论文研究的主要内容
第2章 杂散光研究分析的理论基础
    2.1 杂散光分析基本理论基础
        2.1.1 双向散射分布函数的概念
        2.1.2 应用杂散光研究的常用BRDF模型
    2.2 杂散光来源路径分析及消除措施
        2.2.1 光学系统杂散光的来源
        2.2.2 光学系统杂散光的危害
        2.2.3 基本能量传输方程
        2.2.4 杂散光消除途径的研究
    2.3 显微物镜杂散光系数测定分析
        2.3.1 黑斑法测量杂散光系数的理论基础
        2.3.2 黑斑法测量杂散光系数的标准分析
    2.4 本章小结
第3章 显微物镜杂散光测试仪方案设计
    3.1 显微物镜杂散光测试仪原理设计
    3.2 显微物镜杂散光测试仪光能传播理论分析
        3.2.1 光源至黑斑基板能量计算
        3.2.2 黑斑基板至显微物镜像面光照度计算
        3.2.3 测试积分球及光电倍增管光能量计算
        3.2.4 杂散光测试仪元器件选型
    3.3 显微物镜杂散光测试仪结构设计
        3.3.1 均匀光源照明系统
        3.3.2 被测物镜结构系统
        3.3.3 三目观察及测量系统
        3.3.4 设备外观及整体
    3.4 本章小结
第4章 显微物镜黑斑法杂散光测试仪建模仿真及实验
    4.1 显微物镜杂散光测试仪的软件建模设定
        4.1.1 重点采样及阈值设定的重要性
        4.1.2 大NA生物显微物镜光学参数
        4.1.3 杂散光测试仪建模及属性设置
    4.2 不同测量条件对杂散光系数影响的仿真模拟
    4.3 光学表面散射对杂散光系数影响的仿真模拟
        4.3.1 表面粗糙度对杂散光系数的影响
        4.3.2 表面颗粒污染水平对杂散光系数的影响
    4.4 机械表面消光染黑对杂散光系数影响的仿真模拟
    4.5 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 论文总结及创新点说明
        5.1.1 全文工作总结
        5.1.2 创新点说明
    5.2 进一步研究的工作展望
参考文献
在学期间学术成果情况
指导教师及作者简介
致谢

【参考文献】

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本文编号：2873541