基于MTF的显微物镜景深的仿真测量

　　0 引 言

　　景深是显微物镜重要参数之一。在现代二维高精度测量中，作为提高整个测量系统中的基础——光学系统的精度，该参数的获得具有重要意义。经查询，在国内还未见有相应测量景深方法的报导。因此，不论是从理论创新还是实际应用出发，有必要对景深的测量进行研究，以便在设计、生产、检测中快捷地对有景深要求光学系统的方案选择提供科学的抉择依据。

　　文中提出了一种景深的测量方法：利用光学设计软件 OSLO 的像质评价函数 MTF[1]，将已设计好的显微物镜通过离焦的方式对显微物镜的景深进行测量。后续研究又通过多个自主研发的已知结构参数的显微物镜进行实际景深测量，并将这些实测数据与仿真测量值比较，验证了仿真测量值的正确性，该方法使显微物镜景深的研究从理论计算走向可操作的仿真测量。从而可用于指导对景深有要求的显微光学系统的设计。

　　1 显微物镜景深仿真测量原理

　　1.1 景深的定义

　　空间物体成像不同于平面物体成像，不能满足严格的共轭关系，对于空间物体成像，能在像平面上获得清晰像的空间深度称为景深(Depth ofField)[2-3]。图 1 中的△量就是景深。能成清晰像的最远物平面(即物点 B1所在的平面)称远景面;远景面到对准平面之间的距离称为后景深;能成清晰像的最近物平面(即物点 B2所在的平面)称近景面，近景面到对准平面的距离称为前景深。一般后景深要大于前景深。

　　1.2 显微物镜景深仿真测量原理

　　从景深的定义出发，很显然显微物镜对物面调焦清晰后，物面前后一定距离能成清晰的像的物空间为景深，如图 2 所示，其中，(a)为调焦对准物面;(b)为调焦对准前景面;(c)为调焦对准后景面。如果分别使物镜对近景面和远景面调焦，则物面相对变成其前(后)景深值。若对近景面调焦则此时物镜实际工作距离WDmax= WD +Δ_前。同理，若对远景面调焦则物镜实际工作距离WDmin=WD -Δ_后，是否可以通过光学设计 CAD 软件人为地设置离焦，通过 MTF 评价其截止频率来确定Δ_前与Δ_后。当然离焦量离需不断调整。后景深Δ_后=|WD-WDmax|，前景深Δ_前=|WD-WGmin|;Δ_{仿真测量值}=WDmax-WD min

　　2 景深仿真测量操作与案例

　　对于具体的测量方法，以实际测量显微物镜景深的过程来做相应的介绍。文中主要以测量放大倍率为 10×的 3 种不同结构的显微物镜为例[4-6]。

　　自主研发的 10×无穷远长工作距离平场消色差显微物镜，结构如图 3 所示[7]。β=-10×( f '辅=200 mm); NA =0.25; f′=24.995 mm，共轭距=∞。