CN102928960A

CN102928960A - 用于视频成像的显微物镜光学系统

Info

Publication number: CN102928960A
Application number: CN2012104183106A
Authority: CN
Inventors: 曹红曲; 步扬; 王向朝; 徐文东; 袁春晓; 徐静浩
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种用于视频显示成像的显微物镜光学系统，由第一透镜组、第二透镜组、分光棱镜、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组沿光轴自左向右顺序排列，第一透镜组和第二透镜组构成系统的前置物镜组，第三透镜组至第九透镜组构成系统的主物镜组；所述的第三透镜组的焦距为fU3，第四透镜组的焦距为fU4，主物镜组的焦距为fE2，三者满足下列关系式：0.46<|fU3/fU4|<0.68，6.23<|fU3/fE2|<7.53。本发明显微物镜在360nm~550nm波段范围具有大数值孔径、大视场、长工作距离、小相对畸变、高放大倍率的特点，系统成像质量达到了衍射极限。

Description

用于视频成像的显微物镜光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，特别是一种用于视频成像的显微物镜光学系统，主要适用于电子工业生产线的检验、印刷线路板的检定、印刷电路组件中出现的焊接缺陷(印刷错位、塌边等)的检定、单板PC的检定、真空荧光显示屏VFD的检定、及林科院的植物表皮观察，美容业皮肤检测等等，它将实物的图像放大后显示在显微镜屏幕上，并可拍摄成图片或视频进行再次分析处理。

背景技术

随着CCD摄像机的兴起，显微镜可以通过其将实时图像转移到电视机或者监视器上，直接观察，同时也可以通过相机拍摄。随着数码产业以及电脑业的发展，显微镜的功能也通过它们得到提升，使其向着更简便更容易操作的方面发展。到了90年代末，半导体行业的发展，晶圆要求显微镜可以带来更加配合的功能，硬件与软件的结合，智能化，人性化，使显微镜在工业上有了更大的发展。视频显微镜和数码显微镜是以电视摄像靶或光电耦合器作为接收元件的显微镜。将放大后的图像导入到电视机或计算机，在显示屏上显示出来进行观察分析。这类显微镜的主要优点是与计算机联用后便于实现检测和信息处理的自动化应用于需要进行大量繁琐的检测工作的场合。

物镜是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接关系和影响成像的质量以及各项光学技术参数。在物镜的各个技术参数中，物镜分辨细节的能力即分辨率是衡量一台显微镜质量的首要标准，在理论上它受限于系统的衍射分辨率，因此，提高系统的衍射分辨率一直是显微物镜发展的主要方向。

为了提高显微物镜的衍射分辨率，一般是通过增大系统的数字孔径NA来实现，根据公式NA=nSin(A),可以看出，在空气中NA的理论极限是1，但这样的系统在设计上难度是很大的，目前大的NA可以到0.9，因此，有的系统采用物面浸油方式(油的折射率大于1)来提高系统的NA，但在使用上带来了诸多不便。另外，光学系统的衍射分辨率与使用的光源波长也有十分密切的关系，使用波长越短，衍射分辨率相应就越高，但短波长的光源在使用上还存在限制，比如，对光学材料的选择余地就比较小。

现代显微物镜已达到高度完善，其数值孔径已接近极限，视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微.但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成像质量的可能性仍然存在，这种研究工作，至今仍在进行。与宽光束有关的像差是球差、慧差以及位置色差；与视场有关的像差是像散、场曲、畸变以及倍率色差，因此，针对实际使用的具体情况和要求，匹配好显微系统的各个技术参数以达到最高性能和最高效率的应用有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种一种用于视频成像的显微物镜光学系统，该显微物镜能够在宽波段范围内（360nm~550nm）实现大数值孔径（NA=0.85)、大视场（0.3mm）、长工作距离（0.79mm）、小相对畸变（0.03％）、高放大倍率（50倍）、成像质量达到了衍射极限（波像差小于四分之一波长）的用于视频成像。

为了描述方便，本发明所述光学系统从成像面（如电视摄像靶或光电耦合器CCD）到显微物镜的观察物面为从左向右的方向。

为达到本发明的目的，本发明的技术方案是：

一种用于视频成像的显微物镜光学系统由第一透镜组、第二透镜组、分光棱镜、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组沿光轴自左向右顺序排列构成，第一透镜组和第二透镜组构成系统的前置物镜组，第三透镜组至第九透镜组构成系统的主物镜组；其特征在于：设第三透镜组的焦距为fU3，第四透镜组的焦距为fU4，主物镜组的焦距为fE2，三者满足下列关系式：

0.46<|fU3/fU4|<0.68

6.23<|fU3/fE2|<7.53。

所述的前置物镜组是由正透镜相对的两个双胶合透镜组构成。

所述的第三透镜组中的冕玻璃透镜焦距为负，火石玻璃透镜的焦距为正，且冕玻璃在火石玻璃的左边。

所述的第八透镜组为一个三胶合透镜，结构为“正负正”型，两个正透镜为低色散的冕玻璃，中间的负透镜为火石类玻璃。

整个系统包含18个透镜和一个分光棱镜，其中，第一透镜组至第七透镜组均为双胶合透镜组，第八透镜组为一个三胶合透镜组，第九透镜组为单透镜。

主物镜组将观察物面成像到无穷远处，前置物镜组再将这无穷远的像成像到电视摄像靶或光电耦合器CCD上，由前置物镜组和主物镜组的焦距就决定了本发明的显微光学系统的放大率。

本发明的技术效果如下：

经实验表明，本发明显微物镜能够在宽波段范围内（360nm~550nm）实现大数值孔径（NA=0.85)、大视场（0.3mm）、长工作距离（0.79mm）、小相对畸变（0.03％）、高放大倍率（50倍）、成像质量达到了衍射极限（波像差小于四分之一波长）的用于视频成像。

附图说明

图1是本发明显微物镜光学系统图；

图2是本发明显微物镜光学系统的波像差曲线图；

图3是本发明显微物镜光学系统的衍射MTF图；

图4是本发明显微物镜光学系统的场曲和畸变曲线图

图5是本发明显微物镜光学系统的垂轴像差曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参看图1，本发明用于视频显示成像的显微物镜光学系统，由第一透镜组U1、第二透镜组U2、分光棱镜P、第三透镜组U3、第四透镜组U4、第五透镜组U5、第六透镜组U6、第七透镜组U7、第八透镜组U8、第九透镜组U9沿光轴自左向右顺序排列构成，所述的第一透镜组U1和第二透镜组U2构成系统的前置物镜组E1，第三透镜组U3至第九透镜组U9构成系统的主物镜组E2；其特点在于：所述的第三透镜组U3的焦距为fU3，第四透镜组U4的焦距为fU4，主物镜组E2的焦距为fE2，三者满足下列关系式：

0.46<|fU3/fU4|<0.68

6.23<|fU3/fE2|<7.53。

第三透镜组U3至第九透镜组U9构成系统的主物镜组(E2)将观察物面成像到无穷远处，再经过前置物镜组E1将这无穷远的像成像到电视摄像靶或光电耦合器CCD上，由前置物镜组E1和主物镜组E2的焦距比值就决定了本发明的显微光学系统的放大率。在前置物镜组E1和主物镜组E2之间放置分光棱镜P以使照明光束由此进入系统，照亮物面。

本发明的显微物镜光学系统由9个透镜组和一个分光棱镜(P)构成，其中，第一透镜组U1至第七透镜组U7均为双胶合透镜组，第八透镜组U8为三胶合透镜组，第九透镜组U9为一个单透镜，各个透镜组中的正、负透镜的位置关系为：第一透镜组U1为负正型，第二透镜组U2为正负型，第三透镜组U3为负正型，第四透镜组U4为负正型，第五透镜组U5为正负型，第六透镜组U6为正负型，第七透镜组U7为正负型，第八透镜组U8为正负正型，第九透镜组U9为一个单透镜且焦距为正。

前置物镜组E1是由第一透镜组U1和第二透镜组U2两个双胶合透镜组构成，这两个双胶合透镜组的正透镜相对，可以从设计上保证光线在胶合面上的入射角较小。

对于显微系统主物镜组E2的前两组胶合透镜即第三透镜组U3和第四透镜组U4，它们的焦距比以及与主物镜E2的焦距比决定了该结构形式的光学系统总体性能的优劣，设第三透镜组U3的焦距为fU3，第四透镜组U4的焦距为fU4，主物镜组E2的焦距为fE2，三者需要满足下列不等式：

0.46<|fU3/fU4|<0.68

6.23<|fU3/fE2|<7.53。

如果超出了这个范围，系统优化将很难同时保证成像质量和工作距离（大于0.7mm）的实现，这相当一个反摄远的光学系统的结构型式，其中，第三透镜组U3中的冕玻璃透镜焦距为负，火石玻璃透镜的焦距为正，且冕玻璃在火石玻璃的左边，这样的结构对整个物镜系统结果的像差控制更有利。第四透镜组U4以一个厚的负火石玻璃透镜和一个正冕玻璃透镜胶合，且负的火石玻璃透镜在正的冕玻璃透镜左边，在系统中的主要作用是校正系统的场曲，第三透镜组U3和第四透镜组U4两透镜组以凹面相对，保证成像在CCD的像面不至于弯曲。

显微系统主物镜组E2中的第八透镜组U8为一个三胶合透镜，结构为“正负正”型，两个正透镜为低色散的冕玻璃，中间的负透镜为火石类玻璃，这样的结构对消除系统的二级光谱有利。

为充分提高像面均匀性，本发明用于视频成像的显微物镜光学系统采用物、像双远心的方案，光阑位于第七透镜组U7的左表面上，同时第七透镜组U7的正、负透镜均为火石玻璃，他们的色散性能差异不大，主要对整个系统的轴向色差和二级光谱作微量调整，对系统的垂轴色差影响很小。

由于系统物方观测面的数字孔径很大（NA=0.85），因此，靠近检测物面的第九透镜组U9为一个几乎不产生球差的等明透镜，这也是显微物镜光学系统设计中最常规的方案，这样大数字孔径的光束经过该透镜后，光线与光轴的夹角大幅度减小，且产生的球差很小，对后续系统的各类像差矫正十分有利。

由于本发明的显微光学系统工作波段范围很宽（360nm-550nm），短波部分已接近紫外，常规的光学玻璃在紫外段的光谱透过性能比较差，而短波长对系统的分辨力的提高是更有利的，因此，为了能充分利用360nm（i线）的光谱能量以提高系统的分辨力，应注意选择对该谱线透过率高的光学材料。

从系统的装调角度考虑，需要设置一些有效且可行的调整机构来对加工和装配误差进行补偿，根据系统的公差分析，将第八透镜组U8和第九透镜组U9合成一个整体调节单元，它的轴向左右移动能很好对系统的各种轴向误差进行补偿；第五透镜组U5的焦距很大，对轴向像差不敏感，但对它作垂直光轴的上下调整对系统的偏心补偿是十分有效的，因此，设计上需要对这两个机构给出足够的空间，便于系统结构设计方案的实现。

为了进一步提高系统的成像质量，可利用前置物镜组E1与主物镜组E2的像差补偿关系将各自残留的像差作最大限度的抵偿消除，得到高性能的显微物镜光学系统。

本发明的用于视频显示的显微物镜光学系统，需要照明光束进入系统中照亮检测物面，因此，在前置物镜组E1和主物镜组E2之间加入一个分光棱镜P，照明光束从分光棱镜的一侧射入系统，经过主物镜组E2后照亮检测物面，检测物面通过整个显微物镜系统成像到视频接收面（如电视摄像靶或光电耦合器（CCD）上，本发明的显微物镜光学系统一个实施例的结构参数如表1所示：

本发明显微物镜光学系统经测试，成像性能曲线见图2~图5所示。

参看图2，是本发明的显微光学系统的波像差图，图中纵坐标的最大刻度为±0.5wave，从图上可见，在360nm-550nm的波段范围内，

各个视场及口径的波像

Surf	Type	Radius	Thickness	Glass	Dia meter	Conic
							OBJ	STANDARD	Infinity	165.78		30.00	0
1	STAN DARD	-3597	4.00	N-LAF33	36.02	0
							2	STANDARD	63.936	8.00	N-LAK12	36.18	0
3	STANDARD	-124.1009	132.52		36.46	0
							4	STANDARD	27.998	5.70	N-KZFS2	23.82	0
5	STANDARD	122.74	2.00	N-FK51	22.42	0
							6	STAN DARD	24.688	61.84		20.87	0
7	STANDARD	Infinity	15.00	N-BK10	11.48	0
							8	STANDARD	Infinity	10.00		9.93	0
9	STANDARD	152.888	1.00	N-BK10	8.43	0
							10	STANDARD	6.13	2.75	N-LASF31A	8.14	0
11	STAN DARD	7.907	2.48		7.25	0
							12	STANDARD	-5.984	7.30	N-KZFS8	7.27	0
13	STANDARD	32.849	5.30	N-FK51	12.83	0
							14	STANDARD	-9.858	0.23		14.08	0
15	STANDARD	3597	4.60	N-FK51	14.72	0
							16	STAN DARD	-10.68	1.20	N-LAk34	14.93	0
17	STANDARD	-30.332	0.20		16.19	0
							18	STANDARD	22.6782	6.45	FCD1	17.03	0
19	STANDARD	-13.448	1.20	N-LAK22	16.88	0
							20	STANDARD	-140.023	0.20		17.17	0
STO	STANDARD	34.25	6.66	SF5	17.24	0
							22	STANDARD	-12.33	1.20	N-KZFS11	16.99	0
23	STANDARD	-54.4	4.65		16.89	0
							24	STANDARD	15.184	5.30	N-FK51	14.81	0
25	STANDARD	-15.184	1.50	N-KZFS8	13.89	0
							26	STAN DARD	11.442	6.00	N-FK51	12.08	0
27	STANDARD	-18.429	0.35		11.18	0
							28	STANDARD	4.884598	5.60	N-LAK22	8.33	0
29	STANDARD	5.64873	0.79		2.81	0
							IMA	STANDARD	Infinity			0.60	0

表1

差均小于四分之一波长。

参看图3，是本发明的显微光学系统全波段的衍射传递函数MTF曲线图，从图上可以看出，系统达到了衍射极限。

参看图4，是本发明的显微光学系统的场曲和畸变图，从图上可以看出，整个系统的最大光学畸变小于0.03%。

参看图5，是本发明的显微光学系统的垂轴像差曲线，图中纵坐标的最大刻度为±1um，从图上可见，在360nm-550nm的波段范围内，各个色光的曲线形状相似，最大值控制在0.6um以内。

实验表明，本发明显微物镜在360nm~550nm波段范围具有大数值孔径、大视场、长工作距离、小相对畸变、高放大倍率的特点，系统成像质量达到了衍射极限。

Claims

1.用于视频显示成像的显微物镜光学系统，由第一透镜组(U1)、第二透镜组(U2)、分光棱镜(P)、第三透镜组(U3)、第四透镜组(U4)、第五透镜组(U5)、第六透镜组(U6)、第七透镜组(U7)、第八透镜组(U8)、第九透镜组(U9)沿光轴自左向右顺序排列构成，所述的第一透镜组(U1)和第二透镜组(U2)构成系统的前置物镜组(E1)，第三透镜组(U3)至第九透镜组(U9)构成系统的主物镜组(E2)；其特征在于：所述的第三透镜组(U3)的焦距为fU3，第四透镜组(U4)的焦距为fU4，主物镜组(E2)的焦距为fE2，三者满足下列关系式：

0.46<|fU3/fU4|<0.68

6.23<|fU3/fE2|<7.53。

2.根据权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于：所述的前置物镜组(E1)是由正透镜相对的两个双胶合透镜组构成。

3.根据权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于：所述的第三透镜组(U3)中的冕玻璃透镜焦距为负，火石玻璃透镜的焦距为正，且冕玻璃在火石玻璃的左边。

4.根据权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于：所述的第八透镜组(U8)为一个三胶合透镜，结构为“正负正”型，两个正透镜为低色散的冕玻璃，中间的负透镜为火石类玻璃。