生物医学是光学设计的一个重要应用领域，在各类显微成像系统中，物镜作为关键的光学组件，其设计性能直接决定了成像质量的高低。目前网上流传了一份竞赛题目，涉及到显微物镜的设计，提出了一系列具有挑战性的技术指标。这些指标不仅涵盖了光学设计的核心要素，还对实际应用中的性能提出了严格要求。本文将深入解析这些设计指标，并探讨如何在实际设计中满足这些要求。
一、设计指标解析
在讨论一个光学系统的指标时，我们首先需要关注的是外部参数。外部参数，就是假设光学系统是一个黑盒，此时我们依然可以准确描述的参数，其实关于显微系统，我也写过很多期文章讨论了，下面主要带大家做个回顾。
结构形式：无限共轭距
外部参数
数值孔径（NA）：≥ 0.9
有效焦距：4.75 mm
工作波长：785 nm、810 nm、850 nm
半像高：0.707 mm
总长：小于50.8mm
最大口径（净口径）：25.4 mm
水层厚度：0.5mm＜d＜1mm
国标规定了显微物镜有两种结构形式，分别是有限共轭距和无限共轭距两类，这个我之前在另一篇文章中讨论过。对于两类结构，放大倍率的定义也不一样，如下图所示。
【显微物镜的指标计算||之晓光学】
无穷远共轭设计意味着物镜需要将载物台上的景物准直，物点通过物镜出射为平行光线。那么根据指标给定的焦距，我们也就可以算出物镜的倍率。
需要注意的是，这个时候我们通过倒置的形式去设计，即认为无穷远的是物方，像方在有限距离，这样设计会方便很多，只是需要大家换算一下数值孔径。具体的计算方法，我上周也谈过，欢迎大家回顾。
【光学设计技巧（11）】如何倒置设计显微物镜||之晓光学
高数值孔径是实现高分辨率成像的关键。NA值越高，物镜能够收集的光线越多，分辨率也就越高。为了达到NA≥0.9的要求，设计中需要采用大口径的透镜和优化的透镜形状。众所周知，孔径越大，球差越大，即使是水浸物镜，如何减少系统总体的球差也是个问题，这里我考考大家，一个球面光学系统，球差可能为0吗？如果大家不太清楚，欢迎回顾下面这篇文章：【成像光学基础】球面透镜可以使球差为零吗
像高是物镜设计中的一个重要参数，它决定了成像的视场大小。在共聚焦系统中，较小的像高有助于提高成像的分辨率和对比度。设计时需要精确控制物镜的焦距和光圈大小，以满足这一要求。如果是半像高0.707mm，和最初网上流传的版本有差异，则设计难度会显著增大，大家需要注意哦。
光学性能
远心性：＜±2°
总透过率：＞85%
盖玻片：0.17 mm，K5
畸变：＜5%
成像性能：波像差 PV 值＜0.25λ（所有波长）
场曲矢高：＜25 μm
轴向色差：＜3 μm
垂轴色差：＜1 μm
远心性：＜±2°
远心性要求主光线与焦平面法线的夹角控制在±2°范围内。这有助于减少像差，特别是在大视场成像中，能够保证光线的均匀分布和成像的几何准确性。设计中需要通过优化透镜的形状和位置来满足这一要求。
远心性和照相物镜里面经常讨论的CRA是一回事，这个我也专门讨论过，除了用操作数直接限制，我们也还可以限制光学系统的出入瞳位置，大家做的时候都可以尝试。
总透过率：＞85%
高透过率要求物镜设计中要尽可能减少光线的损失。这可能需要采用高质量的光学材料、优化的透镜表面处理以及可能的抗反射涂层。本指标的设计波段要求是785~850nm，在这个范围，某些材料的透过率没有那么高，最终得到设计结果之前，需要大家再去核算一下。
盖玻片：0.17 mm，K5
盖玻片的厚度和材料特性会影响光线的传播和成像质量。在设计中需要考虑盖玻片对光线的影响，并进行相应的像差校正。
可能有的同学会觉得平板玻璃的像差可以忽略，这其实是一种误解，关于平板玻璃的像差我之前也讨论过，结论就是如果是在汇聚光路中，平板产生的像差不可忽略，但可以前后平移。所以设计的时候我们只要把盖玻片加入在像面前即可。
成像性能：
波像差的控制直接关系到成像的清晰度和分辨率。PV值＜0.25λ的要求表明，设计必须在所有指定波长下实现衍射极限的成像质量。
场曲矢高是衡量像面弯曲程度的指标。控制场曲矢高有助于提高成像的平面度，特别是在高分辨率成像中尤为重要。轴向色差的控制有助于减少不同波长光线在轴向上的聚焦差异，从而提高成像的清晰度和对比度。垂轴色差的控制同样是为了减少不同波长光线在成像平面上的聚焦差异，确保成像的几何精度。
对于本系统，个人凭经验认为色差校正难度不大，波像差和场曲矢高限制的比较严格。很多人设计光学系统有一个误区，就是不管什么要求，都用操作数控制住，但是这样做其实很难优化出好的结果。
我的建议是优化过程中，约束越少越好，比如波像差和几何像差其实是等价的，优化的初期我们完全可以用光斑大小和MTF曲线评价系统，如果最后再有某个指标不满足，可以用操作数拉一拉。这样实际上会有更快的设计效率。
（一个国产专利中的初始结构仿真，最近如果我找到比较合适的初始结构，也会在星球上传）