CN101414056A - 暗视场照明物镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及一种对观察对象进行暗视场照明，利用物体的散射和衍射光进行观测的暗视场显微镜中所用的暗视场物镜装置。本发明所涉及的是暗视场物镜装置的照明及安装构造。本发明中涉及的物镜包含内筒和外筒。成像用透镜组安装在内筒内；在外筒的外侧设有排列成环状、以LED原件作为光源的LED照明装置。另外，在LED原件与被观察对象之间设有在子午面内将LED光转换为平行光、倾斜照射到被观察对象上的光学元件。LED原件发出的光在子午面内被转换为平行光照射到被观察对象上。被观察对象散射或衍射的光经成像物镜成像后由目镜观察或用摄影装置拍摄后进行图象处理。该暗视场物镜装置内筒端部外周有螺纹，可以直接安装到明视场显微镜的转换盘上。所以，明视场显微镜可以直接转用为暗视场观察用。

Description

暗视场照明物镜装置

技术领域

本发明所涉及一种对观察对象进行暗视场照明，利用物体的散射和衍射光进行观测的暗视场显微镜中所用的暗视场物镜装置。

背景技术

在检查集成电路(IC)图样、液晶用玻璃的表面划伤及灰尘时，利用暗视场照明更加有利，故通常在暗视场照明下观察。与沿光轴方向照射被观察对象的明视场照明不同，暗视场照明是从侧面和倾斜方向将照明光投射到被观察对象上，物镜接收并观察被观察对象的衍射和散射光。

日前暗视场照明用的物镜存在以下问题。在显微镜的光学系统之外还需要另外设立一个照明装置，照明装置包括光源和将光源所发出的光转换为平行光的准直用光学原件。

JP特开平7-281098专利公开的暗视场观察用物镜的镜筒由夹持成像用的透镜组的内筒和将暗视场照明用平行光导光用的中空外筒两部分组成。为了传播暗视场照明光，通常有由内、外筒组成的环形空间。为了固定外筒，在内筒和外筒之间至少要有三个连接臂，这三个连接臂将在照明光路中档光，减少观察上的照射光亮。为了克服其影响需要另外的光学零件。

为了使照明光不直接进入成像物镜，需要在照明光路中圆形滤光片，这也将减少暗视场观察区域所接收到的光亮。

暗视场用的物镜由于需要设有暗视场照明用的导光用外筒，其镜筒的外径比明视场物镜的镜筒粗。无法直接安装到明视场显微镜的物镜转换器上。无法用明视场显微镜进行暗视场观察。同样，明暗视场观察用物镜对于暗视场显微镜的转换器来说直径过小，安装的话需要另外的过渡接口。

JP特开2000-121949专利所提技术方案是用LED直接照明被观测对象，这与暗视场照明是一样的。并非将子午面内的光转换为平行光后照射被观察对象，所以对于以观察被观察对象的衍射光与散射光为主的暗视场观测并不很合适。

JP特开2006-039418专利虽然也适用了LED照明，但由于是直接将LED所发出的光作为平行光导入照明相机或显微镜内筒的外侧，故存在与原有暗视场照明用物镜镜筒同样的问题。另外，由于照相机设置在镜筒内，无法用同一个物镜明视场与暗视场并用，也无法将不同放大倍率的物镜安装在同一显微镜上用不同的放大倍率观察。

JP特开2001-154103专利所提的方案中，暗视场照明用的环形LED照明装置独立于物镜镜筒的，但该方案中并没有提及如何将子午面内的光线变成平行光照射到观察对象上。由于光源是设立在显微镜内，也没有考虑到不同倍率物镜及光源焦距的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种为观察对象提供足够充分的照射光通量，实现暗视场照明，并且可以直接安装在明视场显微镜的转换器上的暗视场照明物镜装置。

本发明的暗视场照明物镜装置，包括同轴的内外筒、设置在内筒内的成像用透镜组，在内外筒之间设有排列成环状的照明装置；在照明装置与被观察对象之间设有在子午面内将照明装置发出的光转换为平行光而倾斜照射到被观察对象上的光学元件；内筒端部外周设置有用于直接安装到明视场显微镜的转换盘上的螺纹。

本发明中物镜的成像用透镜组安装在内筒内。在外筒的外侧设有排列成环状的照明装置(如以LED原件作为光源的LED照明装置)。在光源(如LED原件)与被观察对象之间设有在子午面内将光源发出的光转换为平行光、倾斜照射到被观察对象上的光学元件。光源发出的光在子午面内被转换为平行光照射到被观察对象上。被观察对象散射或衍射的光经成像物镜成像后由目镜观察或用摄影装置拍摄后进行图象处理。该暗视场物镜装置内筒端部外周有螺纹，可以直接安装到明视场显微镜的转换盘上。所以，明视场显微镜可以直接转用为暗视场观察用。

作为改进，它还包括设置在内外筒之间的用于向照明装置供电的环状电池。这即是内置电源的暗视场照明物镜装置。当然，该暗视场照明物镜装置中的照明装置也可使用外部电源供电。当使用外部电源时，最好它还包括用于向照明装置供电的360度旋转电源接口外部导入系统。该360度旋转电源接口外部导入系统的结构可以有多种多样，如它还包括设有正、负极环形导电薄膜的线路板；照明装置的正负极与正、负极环形导电薄膜连接；线路板可转动的套装在暗视场照明物镜装置上；线路板上有与正、负极环形导电薄膜相连的外部电源插座。它还包括与外部电源连接以向照明装置供电的电源插座。外部电源导入系统的接口为360度旋转装置，任何方位都可以接电源，使用方便；如果使用内置环状电池的话，仅将暗视场观察物镜的镜筒安装到显微镜上即可实现暗视场照明，操作非常简单，不需要为照明用电源配备电线。将该电池作为二次电池，在镜筒的外筒上设置充电用插孔，通过充电即可长期使用。

作为改进，光学元件包括环状透镜、非球面反射镜或轮胎面透镜，最好光学元件还包括将照明装置发出的光纠正为平行光的补偿透镜。环状透镜、非球面反光镜及轮胎面透镜配合补偿透镜用于实现将照明光形成斜照射。补偿透镜可以将光源发射出的光更好的纠正为平行光，环状透镜、非球面发射镜以及轮胎面透镜一方面使光线的平行度更好，另外一方面改变光的方向，实现将照明光形成斜照射光。以上元件在子午面内形成平行光照射到被照射面上。

由于不同倍率的物镜的视场各不相同，工作距离也不相同，物镜出射的斜度也与物镜的视场及工作距离向关联。斜出射光在子午面内的平行度取决于光源与形成斜出射的光学元件之间的距离L、内外筒之间的环的宽度(D-d)/2及形成斜出射的光学元件的焦距f、照射区域(视场)S所决定。

1.如果使用环状透镜，环状透镜的焦距f满足0.9WD>f>1.1WD；

照射区域(视场)S≤(D-d)/2；

光源与形成斜出射光源元件的距离L满足：L>3.3(D-d)。

2.使用非球面发射镜作为形成斜出射的光学元件，

照射区域(视场)S≤(D-d)/2；

光源与形成斜出射光源元件的距离L满足：L>3.3(D-d)。

3.如果使用轮胎面透镜，

轮胎面透镜的出射角α≥tan^-1[(S+d)/2WD]；轮胎面透镜的宽度b满足b≥S×Cosα；

光源与轮胎面透镜之间的距离L满足L＝fb。

其中，WD为物镜的工作距离；D为外筒内径；d为内筒外径。

使用不同光学元件而满足上述这些条件能更好实现我们希望的暗视场照明，即尽量保証平行光照射，照射光的反射光不进入物鏡。

发明的有益效果：本发明将暗视场观察用的光源内藏在物镜的镜筒中，而且能够在暗视场观察范围内提供充分的光通量，所以可以提高暗视场观察的检查能力。另外，由于可以单独更换物镜，同时可以提高检查的工作效率。由于可以直接安装在明视场显微镜上使用，无需特意为暗视场物镜装备专门的转换盘。

附图说明

图1本发明实施方式1的断面图

图2本发明实施方式1的暗视场物镜安装在明视场转换器上的示意图

图3本发明实施方式2的断面示意图

图4本发明实施方式3的断面图(请在图4中补充序号1、2、10)

图5本发明实施方式4的断面图

图中，1内筒；2外筒；3物镜成像透镜组；4电池；5基板；6LED元件；7补偿透镜；8环状透镜；9电源开关；10充电用插孔；11螺纹；12转换器；13非球面反射镜；14轮胎面透镜；15电源插座；16线路板；17盖；18压板；S：照明区域；d：环内经(明视场透镜外径)；D：环外径；WD：明视场透镜工作距离；L：LED光源与形成倾斜出射的光学元件之间的距离；α：环状轮胎面透镜在子午面内的出射角；b：轮胎面透镜的宽度；fb：子午面内轮胎面透镜的后焦距。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施方式1

图1是表示本发明实施方式1的暗视场照明物镜装置的截面图。

本实施方式由轴线重合的内筒1和外筒2组成。内筒1中安装有成像用的透镜组3。内筒1朝向被观测对象一侧的外径为d(环内经)，相当于用物镜在明视场观察时明视场透镜的外径。外筒2的轴心与内筒1相同。外筒2与内筒1之间有环状空间。环状空间内从上到下依次为环状电池4，安装LED元件的基板5，LED元件6，改善LED发射光平行度的补偿透镜7，将LED元件6发出的照明光在子午面转换为平行光、出射到暗视场照明区域S上的环状透镜8。在基板5上的控制LED元件亮、灭用电源开关9伸出外筒2的表面。电池4是可充电的二次电池，其充电用插孔10可设置在外筒2的合适位置。

在显微物镜向显微镜本体安装的一端、内筒上部周围制有用于和显微镜转换器上的安装螺口相配合的螺纹11。由于内筒1的外径与明视场物镜装置的直径相同(如Φ20)，可以直接装到明视场显微镜的镜头转换器上。由此，可以直接将明视场显微镜用于暗视场观察。图2是将实施方式1的暗视场物镜装置安装在明视场显微镜的物镜转换器12上的示意图。

环状透镜8是中间开有一个空的环形，孔的直径与内筒1的外径相当。环状透镜8的作用是将从环状LED元件5发出的照明光在子午面内变换成平行光倾斜地出射到暗视场照明区域S上，其焦距f与物镜的工作距离WD(被观察对象到物镜的距离)相当，满足0.9WD>f>1.1WD。

设内筒的外径(夹持成像透镜组的内筒的外径)为d，外筒的内经为D，照明区域S满足S≤(D-d)/2即可。

LED元件6与环状透镜8之间的距离L满足L>3.3(D-d)即可。

从补偿透镜7倾斜射出的照明光束在子午面内的平行度取决于距离L、环状空间的环宽度((D-d)/2)，环状透镜的焦距f及视场S。平行照明光是实现有效暗视场观察的必要条件，也是倾斜出射的照明光的镜面反射光不直接进入成像用物镜的条件。

LED照明元件是用光束发散角约15°炮弹型LED。

如果LED元件的光束发散角大于15°，很难用单个环状透镜8形成平行度高的倾斜出射平行光。而加入补偿透镜7的目的，就是改善LED发出的光的平行度。

实施方式2

参见图3所示采用非球面反射镜13的暗视场照明物镜装置。除非球面反射镜13外，其余部分的结构均与实施方式1相同，故在此省略非球面反射镜以外部分的说明。

在第2实施方式中，与实施方式1相同，照明区域S满足S≤(D-d)，式中D，d分别是外筒内径和内筒外径(夹持成像透镜组的内筒的外径)。除此之外，LED元件6与非球面反射镜13之间的距离L最好还满足L>3.3(D-d)。

非球面反射镜13形成轮胎面，将入射光在子午面内变换成平行光。因此，用非球面反射镜13，将排列成环状的LED元件发出的照明光在子物面内变换成平行光，倾斜地照射到照明区域S上，实现暗视场观察用照明。

实施方式3

以下，参照图4来详细说明用环状轮胎面透镜将LED元件所发出的照明光倾斜照射到照明区域S上，实现暗视场观察用物镜装置的实施方式。

图4是外筒的前端装有轮胎面透镜14的暗视场照明物镜装置的断面图。在该实施方式3中，LED的安装方式与实施方式1、2不同，为了使LED元件所发出的光不经过光轴转折直接倾斜照射在照明区域S上，收容LED元件的外筒2的前端部相对于内筒1成张开的圆锥状形态。即，外筒2为从内筒1的中部开始向前端呈伞状延伸，用于安装、固定排列成环状的LED元件、基板、轮胎面透镜14。LED元件6所发出的光经环状轮胎面透镜14在子午面内转换为平行光出射到照射面S上。

内筒1上用于连接显微镜主体的直径与明视场显微镜物镜装置相同，而且还制有可以安装到明视场显微镜镜头转换器的螺纹10，所以可以直接安装到明视场显微镜的转换器上。

与实施方式1、2不同，实施方式3中没有将光轴进行倾斜变换，而是将LED元件6、环状轮胎面透镜14、照明区域S的光轴排列在一条直线上。

这里，轮胎面透镜14的出射角α≥tan^-1[(S+d)/2WD]，轮胎面透镜的宽度b满足b≥S×Cosα，LED光源与轮胎面透镜之间的距离L满足L＝fb即可。

由此，从LED元件发出的照明光在子午面内被转换成平行光，倾斜地照射在观察对象区域S上。

与实施方式1同样，实施方式2、3也在内筒1的端部外围制有螺纹，可以安装到明视场显微镜的转换器上。

实施方式4

在实施方式1、实施方式2、实施方式3中，所描述的都是采用环状电池的内置电源方式。下面结合图5来说明采用360度旋转电源接口外部导入系统的暗视场照明物镜装置的断面图。除提供电源方式不一样外，其余部分的结构均与实施方式1相同，故在此省略其它部分的说明。

在该实施方式4中，LED的电源导入方式与实施方式1、2、3不同，为外部电源导入方式。为了能够使电源插座15不受接口方向位置的影响，在线路板16上设有正、负极环形导电薄膜。当电源插座15导入电源时，LED的元件的正、负极通过导电弹片接触的线路板16上的导电薄膜导电。通过盖17和压板18的机械配合，使得电源插座15、线路板16、盖17、以及压板18形成了一个转动的整体。当转动电源插座15时，线路板16连动，由于线路板上是环形导电薄膜方式，所以在任何方位，LED元件都能够正常导电。通过以上的结构方式，形成了可360度旋转的电源接口外部导入系统。

本发明提供了一种带有简易照明装置的暗视场观察用物镜，可以大大简化暗视场观察用的光学装置，可进一步提高检测装置的自动化水平，在IC、液晶产业具有广阔应用前景。

Claims (10)

1.暗视场照明物镜装置，包括同轴的内外筒、设置在内筒内的成像用透镜组，其特征是：在内外筒之间设有排列成环状的照明装置；在照明装置与被观察对象之间设有在子午面内将照明装置发出的光转换为平行光而倾斜照射到被观察对象上的光学元件；内筒端部外周设置有用于直接安装到明视场显微镜的转换盘上的螺纹。

2.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：照明装置为以LED元件作为光源的LED照明装置。

3.权利要求2所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：所述LED元件为炮弹型LED。

4.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：它还包括设置在内外筒之间的用于向照明装置供电的环状电池。

5.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：它还包括用于向照明装置供电的360度旋转电源接口外部导入系统。

6.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：光学元件包括环状透镜、非球面反射镜或轮胎面透镜。

7.根据权利要求6所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：光学元件还包括将照明装置发出的光纠正为平行光的补偿透镜。

8.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：光学元件包括环状透镜，环状透镜的焦距f满足0.9WD>f>1.1WD；

照射区域S≤(D-d)/2；

光源与环状透镜的距离L满足：L>3.3(D-d)；

其中，WD为物镜的工作距离；D为外筒内径；d为内筒外径。

9.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：光学元件包括非球面发射镜；照射区域S≤(D-d)/2；

照明装置与非球面发射镜的距离L满足：L>3.3(D-d)；其中，D为外筒内径；d为内筒外径。

10.根据权利要求1所述的暗视场照明物镜装置，其特征是：光学元件包括轮胎面透镜；

轮胎面透镜的出射角α≥tan^-1[(S+d)/2WD]；

轮胎面透镜的宽度b满足b≥S×Cosα；

照明装置与轮胎面透镜之间的距离L满足L＝fb；

其中，WD为物镜的工作距离；S为照射区域；d为内筒外径。

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