CN101893509A - 一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量光学系统调制传递函数的技术，特别涉及一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置及方法。该装置所述的像分析仪(11)包括扫描刀口(8)、扫描控制器(9)、积分球(10)、半导体光电探测器(12)和锁相放大器(13)；扫描刀口(8)安装在积分球(10)的开口前面；扫描控制器(9)接收由控制及数据处理系统(14)发出的控制信号，驱动刀口运动；半导体光电探测器(12)安装在积分球(10)的内壁上，其输出的电流信号经锁相放大器(13)处理后输入到控制及数据处理系统(14)。该装置结构简单，功能扩展性好，工作波段宽，且使用方便，还可用于光学系统调制传递函数的测量。

Description

一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量光学系统调制传递函数的技术，特别涉及一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置及方法。

背景技术

显微测量仪器是人们认识微观世界的重要手段，随着科技的不断发展，人们对显微测量仪器的分辨本领的要求越来越高。对于光学显微系统而言，为了提高分辨本领，需要设计和研制具有大数值孔径(N.A.＞0.7)的显微物镜。然而大数值孔径显微物镜设计困难、加工和装配精度要求高，因此为了保证最终产品的性能，需要在研制和生产过程中对大数值孔径显微物镜的成像性能进行定量评价。

调制传递函数是一种光学系统成像质量评价指标，反映了光学系统的频率响应特性，已广泛用于包括显微物镜在内的多种光学系统的成像性能的定量评价。常用的调制传递函数的测量方法主要有图像傅立叶分析法和扫描法。

图像傅立叶分析法利用带有中继物镜的CCD或CMOS面阵探测器探测像面光强分布后利用计算机分析处理来完成调制传递函数测量。目前，基于该方法的调制传递函数测量仪器已有一些成熟的商业化产品问世，其中较为著名的有美国Optikos公司的Optest光学性能测试系统，德国的Trioptics公司ImageMaster高精度MTF测量系统等。这些仪器用于小数值孔径显微物镜的测量时能够具有较好的测量精度，对于数值孔径超过0.7的大数值孔径显微物镜往往无法测量或者测量结果误差较大。

造成这个问题的原因是在对大数值孔径显微物镜测量时，中继物镜需要具有比待测物镜更大的数值孔径和接近衍射极限的成像性能，这样的物镜往往难以设计、加工和装配，研制成本很高，难以实现。

扫描法是传统的调制传递函数测量方法，基于该方法的测量仪器主要有美国Optikos公司的EROS测量组件等。这些仪器使用带有中继透镜的点探测器扫描待测物镜的像面后分析处理测量调制传递函数。利用该仪器测量大数值孔径显微物镜时，同样存在需要采用更大数值孔径中继透镜的问题。

因此，有必要提出一种调制传递函数的测量装置，不需要使用中继光学系统，能够完成大数值孔径显微物镜调制传递函数的精确测量。

发明内容

本发明目的是提供一种工作波段宽，结构简单，功能扩展性好，且使用方便的大数值孔径显微物镜调制传递函数测量装置及其测量方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置，它包括：准直物镜(1)、目标发生器(2)、像分析仪(11)和控制及数据处理系统(14)，其特征在于：所述的像分析仪(11)包括扫描刀口(8)、扫描控制器(9)、积分球(10)、半导体光电探测器(12)和锁相放大器(13)；扫描刀口(8)安装在积分球(10)的开口前面，它们之间的距离≤1mm，扫描刀口(8)的刀口厚度≤1um；扫描控制器(9)接收由控制及数据处理系统(14)发出的控制信号，驱动扫描刀口(8)运动；半导体光电探测器(12)安装在积分球(10)的内壁上，其输出电流信号经锁相放大器(13)输入到控制及数据处理系统(14)处理后输出测量结果。

所述的扫描控制器(9)为压电陶瓷扫描器。所述的半导体光电探测器(12)为光电二极管。

一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将待测显微物镜(7)置于像分析仪(11)的扫描刀口(8)之前，并使其光轴和准直物镜(1)输出平行光的光轴重合；

(b)移动待测显微物镜(7)，使它的像面与扫描刀口(8)所在的平面重合，狭缝像(15)位于扫描刀口(8)的一侧；积分球(10)接受来自狭缝像(15)的光能量，其输出的电流信号输入锁相放大器(13)；

(c)在控制及数据处理系统(14)内设定扫描控制器(9)的扫描参数，并发出的控制信号，驱动扫描刀口(8)在待测显微物镜的像面上进行扫描，使待测显微物镜的狭缝像(15)逐步被扫描刀口(8)遮挡；直至刀口完全遮挡住狭缝像；积分球(10)接受来自狭缝像(15)的光能量，其输出的电流信号输入锁相放大器(13)；

(d)控制及数据处理系统(14)采集锁相放大器(13)的输出信号，经数据处理得到待测显微物镜的边缘扩散函数ESF；

(e)对得到的边缘扩散函数ESF进行微分处理，得到初始调制传递函数值，再经修正，去除测试装置本身的调制传递函数值的影响，得到待测光学系统的调制传递函数值。

与现有技术相比，本发明具有如下的特点：

1、本发明采用积分球代替中继光学系统构成像分析器，由于积分球的光线收集范围可以达到2π立体角，因此，它适用于大数值孔径显微物镜的像面光线收集。

2、由于大数值孔径显微物镜的焦深很小，因此，本发明中采用宝石材料加工而成的刀口，刀口厚度小于1um，有益于刀口在待测显微物镜的像面上进行扫描。

3、由于压电陶瓷可以达到很小的扫描步长，因此，本发明采用压电陶瓷驱动刀口扫描，能够满足保证在待测显微物镜像面上具有足够的采样率。

4、本发明所提供的大数值孔径显微物镜调制传递函数测量装置，结构简单，功能扩展性好，工作波段宽；其使用方便，同时，也可用于一般光学系统调制传递函数的测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大数值孔径显微物镜调制传递函数测量装置的结构示意图；

图2为本实施例所述的测量装置扫描待测显微物镜所成靶标像的原理示意图；

图3为本发明实施例的测量装置扫描得到的边缘扩散函数曲线图；

图4为本发明实施例提供的测量装置测量调制传递函数的流程图；

图5为本发明实施例提供的测量装置测量得到的调制传递函数曲线图。

图中：1、准直物镜；2、目标发生器；3、靶标；4、斩波器；5、滤光片；6、照明光源；7、待测大数值孔径显微物镜；8、扫描刀口；9、扫描控制器；10、积分球；11、像分析仪；12、半导体光电探测器；13、锁相放大器；14、控制及数据处理系统；15、狭缝像。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

参见附图1，它为本实施例提供的大数值孔径显微物镜调制传递函数测量装置的结构示意图，该装置包括：准直物镜1，目标发生器2，像分析仪11和控制及数据处理系统(计算机)14。

目标发生器2用于为显微物镜调制传递函数的测试提供特定的成像目标，其包括靶标3，斩波器4，滤光片5和照明光源6。其中靶标3为狭缝靶标，它放置于准直物镜1的焦点处，用于模拟位于无穷远处的目标物。照明光源6用于照明靶标，通过更换不同的滤光片，可以变换目标发生器的输出波长。斩波器用于对照明光源6发出的光辐射信号进行调制，使之变成具有一定频率的交变辐射信号，斩波器同时提供一路交流信号用于锁相放大的参考信号。

像分析仪11包括扫描刀口8、扫描控制器9、积分球10、半导体光电探测器12和锁相放大器13；扫描刀口8安装在积分球10的开口前面，它们之间的距离≤1mm，扫描刀口8的刀口厚度≤1um；扫描控制器9接收由控制及数据处理系统14发出的控制信号，驱动刀口运动；半导体光电探测器12安装在积分球10的内壁上，其输出的电流信号经锁相放大器13输入到控制及数据处理系统14进行处理后输出测量结果。

像分析仪11用于探测待测大数值孔径显微物镜7的像面上所成狭缝像的光强分布，在本实施例中，扫描刀口采用超薄刀口，扫描控制器9采用压电陶瓷扫描器，半导体光电探测12采用光电二极管。由于大数值孔径的物镜其焦深很小，因此所用扫描刀口8应为厚度小于1um的超薄宝石刀口。压电陶瓷扫描器9驱动扫描刀口8在显微物镜的像面上进行扫描，其扫描步长最小可以达到nm量级，采样频率可以超过10000lp/mm，能够保证对待测显微物镜所成的像进行扫描时具有足够的采样率，满足Nyquist采样条件。积分球10用于收集待测显微物镜7的像点经过扫描刀口8遮挡后出射的光能量。安装在积分球10内壁上的光电二极管12用于探测积分球接受到的光亮度，其输出电流值与显微物镜像点未被刀口遮挡部分的光能量成正比。由于目标发生器输出光辐射信号是经过斩波器调制的，因此光电二极管输出的电流信号中与斩波器输出的参考信号频率相同的信号分量才是有效信号，其余分量均为噪声信号。锁相放大器13从光电二极管输出的电流信号中提取出有效电流信号后，输出至计算机14分析处理。采用锁相放大器极大地提高了测试装置的信噪比，有利于提高调制传递函数测量的精度。

参见附图2，它为像分析仪11在待测大数值孔径显微物镜7的像面处对其所成的狭缝像15进行扫描探测的原理图，图中箭头表示扫描方向。扫描刀口8最初位于待测显微物镜所成狭缝像15的一侧，如图2(a)所示，此时狭缝像未被刀口遮挡，其全部光能量被积分球接收，锁相放大器输出的信号最大。随着刀口在像面上按照固定的步长向狭缝像的另一侧逐步扫描，狭缝像15逐渐被刀口遮住，如图2(b)所示，积分球所接收到的来自狭缝像的光能量逐渐减少，锁相放大器输出的信号值也逐渐降低。当刀口移动至完全遮住狭缝像时，如图2(c)所示，锁相放大器输出信号降至最低。

参见附图3，它为扫描完成后，锁相放大器输出信号的变化曲线即为待测大数值孔径显微物镜的边缘扩散函数(ESF)曲线，其中，曲线上的a、b、c点分别对应于图2(a)、(b)和(c)三个状态时锁相放大器的输出信号值。扫描得到的ESF曲线经过分析处理后可以得到待测大数值孔径显微物镜的调制传递函数曲线。

参见附图4为本实施例所述的测试装置测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的测量流程，由图4可以看到，本实施例的测试方法步骤如下：

步骤一，将待测显微物镜7置于像分析仪11的扫描刀口8之前，并使其光轴和准直物镜的光轴平行。

步骤二，沿光轴移动待测显微物镜，使得其像面与扫描刀口所在的平面重合，随后沿垂直于光轴方向移动待测显微物镜，使其所成的狭缝像位于扫描刀口一侧，且狭缝像未被刀口遮挡，此时锁相放大器输出信号最大。

步骤三，设定压电陶瓷扫描器的扫描步长、扫描距离等参数后驱动扫描刀口在待测显微物镜的像面上进行扫描，使待测显微物镜的狭缝像逐步被刀口遮挡，直至刀口完全遮挡住狭缝像。根据锁相放大器的输出信号曲线得到待测显微物镜的ESF。

步骤四，对ESF进行微分，得到线扩散函数(LSF)后，再进行傅立叶变换并取模，得到待测显微物镜未经修正的调制传递函数值MTFr。

步骤五，利用式

对MTFr进行修正，去除测试装置本身的调制传递函数MTF_E的影响，得到待测大数值孔径显微物镜的调制传递函数值MTF_M。

参见附图5，它为本发明实施例测量装置对某大数值孔径显微物镜调制传递函数曲线的测量结果，横坐标为空间频率，单位为lp/mm，纵坐标为调制传递函数值，表示成百分比的形式。

本发明所述的调制传递函数测量装置用于轴外测量时，待测大数值孔径显微物镜和像分析仪同时旋转相同的角度至欲进行调制传递函数测量的视场角。按照附图4的测量流程进行测量即可得到待测光学系统轴外视场的调制传递函数。

Claims (4)

1.一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置，它包括：准直物镜(1)、目标发生器(2)、像分析仪(11)和控制及数据处理系统(14)，其特征在于：所述的像分析仪(11)包括扫描刀口(8)、扫描控制器(9)、积分球(10)、半导体光电探测器(12)和锁相放大器(13)；扫描刀口(8)安装在积分球(10)的开口前面，它们之间的距离≤1mm，扫描刀口(8)的刀口厚度≤1um；扫描控制器(9)接收由控制及数据处理系统(14)发出的控制信号，驱动扫描刀口(8)运动；半导体光电探测器(12)安装在积分球(10)的内壁上，其输出电流信号经锁相放大器(13)输入到控制及数据处理系统(14)处理后输出测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置，其特征在于：所述的扫描控制器(9)为压电陶瓷扫描器。

3.根据权利要求1所述的一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的装置，其特征在于：所述的半导体光电探测器(12)为光电二极管。

4.一种测量大数值孔径显微物镜调制传递函数的方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将待测显微物镜(7)置于像分析仪(11)的扫描刀口(8)之前，并使其光轴和准直物镜(1)输出平行光的光轴重合；

(b)移动待测显微物镜(7)，使它的像面与扫描刀口(8)所在的平面重合，狭缝像(15)位于扫描刀口(8)的一侧；积分球(10)接受来自狭缝像(15)的光能量，其输出的电流信号输入锁相放大器(13)；

(c)在控制及数据处理系统(14)内设定扫描控制器(9)的扫描参数，并发出的控制信号，驱动扫描刀口(8)在待测显微物镜的像面上进行扫描，使待测显微物镜的狭缝像(15)逐步被扫描刀口(8)遮挡；直至刀口完全遮挡住狭缝像；积分球(10)接受来自狭缝像(15)的光能量，其输出的电流信号输入锁相放大器(13)；

(d)控制及数据处理系统(14)采集锁相放大器(13)的输出信号，经数据处理得到待测显微物镜的边缘扩散函数ESF；

(e)对得到的边缘扩散函数ESF进行微分处理，得到初始调制传递函数值，再经修正，去除测试装置本身的调制传递函数值的影响，得到待测光学系统的调制传递函数值。

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