CN103048778B - 无限远像距显微物镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
无限远像距显微物镜光学系统，属于显微物镜设计领域。为了克服普通共焦显微技术光路设计的不足，本发明的无限远像距显微物镜光学系统包括沿同一光轴从平行光源到物面依次排列的光阑（1）、前弯月型透镜（2）、双胶合透镜（3）、双胶合透镜（4）、后弯月型透镜（5）和平凸透镜（6）；所述前弯月型透镜（2）和后弯月型透镜（5）的弯向都背对光阑（1），第一双胶合透镜（3）和第二双胶合透镜（4）的胶合面弯向光阑（1），平凸透镜（6）的凸向朝向光阑（1）；设显微物镜系统的焦距为，数值孔径为，入瞳直径为，系统放大率为，则，，。本发明无限远像距显微物镜光学系统结构灵活简单，放大倍率比较高，聚焦性好。
Description
技术领域
本发明属于显微物镜设计领域，涉及一种像距无限远、单色、中倍显微物镜系统，应用于共焦显微技术测量面型领域。
背景技术
近年来，随着科学技术和信息技术的不断发展，面型测量技术也向着简单易行、高精度的方向发展。传统的接触式方法已经不能满足这些特定场合的应用，采用非接触光学方法测量面型已经成为研究的重点方向。尤其国内外学者对共焦显微技术测量面型进行广泛的研究和讨论。
共焦显微技术是于1957年由M.Minsky首次提出，随后在T.Wilson、C.J.R.shepperd等人的努力之下，共焦显微技术基础理论得到进一步的完善，在国内外的学者不断努力之下，将共焦显微技术应用到生物医学、电子技术学，材料学，测量等领域。
共焦显微技术基本的原理是：光通过照明物镜形成发散的光束入射到半透半反射镜，经过其反射到显微物镜上聚集于物体表面，反射回来的光束再次透过显微物镜，半透半反射镜，探测针孔到达探测器焦平面上。其中，上面所述的光源位置，探测针孔位置，显微物镜的焦点位置两两互为共轭关系，它们的位置受共轭关系限制。国内外学者之前所研究的共焦显微技术基本上都属于有限远距共焦显微技术领域。但是，随着技术的发展需要，在20世纪80年代初，国外出现了无限远像距的显微物镜，这种物镜最突出的特点在于光路系统中出现一段平行光路，可以插入分光棱镜、滤光片、偏振片等器件而不产生像差，对整个测量系统的精度也无影响，除此之外，还可以让光源的位置不受约束，在光路布局方面，光路根据需要可长可短，这就是无限远距共焦显微技术，这种技术在高精度测量面型方面有着重要的体现，例如：清华大学林德教博士等人研究的双频干涉共焦台阶高度测量系统，哈尔滨工业大学赵晨光博士等人研究的同步移相干涉共焦显微成像技术等，集中体现在共焦显微物镜结构型式选择无限远像距显微物镜。这对提高面型的测量精度有重要意义。
无限远像距共焦显微技术体现的优点如下：
（1）光源距离共焦显微物镜组第一透镜的距离可以改变，不会影响测量的精度；
（2）在光源和共焦显微物镜组之间插入分光棱镜、滤光片、偏振片等器件而不产生像差，对整个测量系统的精度无影响；
（3）光路的布局显得更加灵活，简单。
可见，设计出合理的无限远像距显微物镜是首要任务，国内也有不少学者在这方面做了一些研究，并有一定的成果，例如：萧泽新等人基于OSLO的无限远像距消色差显微物镜的设计，其采用六片式结构实现消色差，放大倍率为20倍，工作距离为0.461mm的共焦显微物镜的设计。
发明内容
为了克服普通共焦显微技术光路设计的不足，本发明提供了一种无限远像距显微物镜光学系统。
本发明的无限远像距显微物镜光学系统，包括沿同一光轴从平行光源到物面依次排列的光阑1、前弯月型透镜2、第一双胶合透镜3、第二双胶合透镜4、后弯月型透镜5和平凸透镜6，所述前弯月型透镜2和后弯月型透镜5的弯向都背对光阑1，第一双胶合透镜3和第二双胶合透镜4的胶合面弯向光阑1，平凸透镜6的凸向朝向光阑1。设显微物镜光学系统的焦距为 ，显微物镜系统的数值孔径，显微物镜系统的入瞳直径为，显微物镜系统的放大率为，则，，，且。前弯月型透镜（2）与双胶合透镜（3）之间的距离，双胶合透镜（3）与双胶合透镜（4）之间的距离，双胶合透镜（4）与后弯月型透镜（5）之间的距离，后弯月型透镜（5）与平凸透镜（6）之间的距离分别满足，，，。
本发明中，光阑1位于显微物镜组前弯月型透镜2处；平凸透镜6第二面6-1距离被测物体物面7的距离。且前弯月型透镜2、第一双胶合透镜3、第二双胶合透镜4、后弯月型透镜5以及平凸透镜6的材料分别为环保型重钡火石玻璃、环保型氟冕玻璃、环保型重火石玻璃、环保型重冕玻璃、重火石玻璃、环保型轻冕玻璃、环保型重冕玻璃。
其工作原理就是经扩束准直后的单色激光光源通过光阑1，以及显微物镜组中的前弯月型透镜2、双胶合透镜3、双胶合透镜4、后弯月型透镜5、平凸透镜6，入射的平行光聚焦到物体的表面上，所述的光学系统性能越好，聚焦到物体表面上的光斑就越小，测量面型的精度就越高。
本发明的显微物镜系统与普通的共焦显微技术显微物镜相比，有如下优势：
（1）光源位置设置灵活；
（2）光源与共焦显微物镜组之间可以插入分光棱镜、滤波片、偏振片等器件而对系统的测量精度无影响；
（3）光路布局灵活，满足共焦显微技术测量面型各种需要；
（4）结构灵活简单，放大倍率比较高。
附图说明
图1为本发明的无限远像距共焦显微物镜系统结构示意图；
图2为本发明的无限远像距共焦显微物镜系统的光学传递函数图（MTF）；
图3为本发明的无限远像距共焦显微物镜系统的能量包围圆图；
图4为本发明的无限远像距共焦显微物镜系统的点列图；
图5为本发明的无限远像距共焦显微物镜系统的点扩散函数图；
图6为单色激光扩束准直系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释说明，但并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种无限远像距显微物镜光学系统，所述无限远像距显微物镜光学系统依次同轴设置有平行光源、光阑1、前弯月型透镜2、双胶合透镜3、双胶合透镜4、后弯月型透镜5、平凸透镜6、被测物体7，所述光阑1、前弯月型透镜2、第一双胶合透镜3、第二双胶合透镜4、后弯月型透镜5和平凸透镜6组成显微物镜组，光阑1之前是平行光源，显微物镜组后是被测物体7（物面）。
本发明的工作原理在于经扩束准直后的单色激光光源通过光阑1，以及显微物镜组中的前弯月型透镜2、双胶合透镜3、双胶合透镜4、后弯月型透镜5、平凸透镜6，入射的平行光聚焦到物体的表面上，所述的光学系统性能越好，聚焦到物体表面上的光斑就越小，测量面型的精度就越高。
设显微物镜光学系统的焦距为，显微物镜系统的数值孔径，显微物镜系统的入瞳直径为，显微物镜系统的放大率为，则，，，且。前弯月型透镜（2）与双胶合透镜（3）之间的距离，双胶合透镜（3）与双胶合透镜（4）之间的距离，双胶合透镜（4）与后弯月型透镜（5）之间的距离，后弯月型透镜（5）与平凸透镜（6）之间的距离分别满足，，，。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的设计采用反向设计的思想，即把被测物体表面作为物，无限远光源作为像。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的光源是单色的。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的光源是平行光。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的光源是已通过准直系统，光束充满显微物镜光学系统的入瞳。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的光阑1位于显微物镜组前弯月型透镜2第一表面2-1处，光阑1口径的值等于光学系统的入瞳直径。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的前弯月型透镜2和后弯月型透镜5的弯向都背对光阑1；第一双胶合透镜3和第二双胶合透镜4的胶合面弯向光阑1；平凸透镜6的凸向朝向光阑1。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的前弯月型透镜2、第一双胶合透镜3、第二双胶合透镜4、后弯月透镜5以及平凸透镜6材料分别为环保型重钡火石玻璃、环保型氟冕玻璃、环保型重火石玻璃、环保型重冕玻璃、重火石玻璃、环保型轻冕玻璃、环保型重冕玻璃。
上述无限远像距共焦显微物镜系统的平凸透6镜第二面6-1距离被测物体表面7的距离为显微物镜系统的工作距离，且。
本发明所提供的无限远像距共焦显微物镜系统的各技术参数见表1和表2。
表1 无限远像距共焦显微物镜系统的单个透镜技术参数
| 前弯月型透镜2 | 1<n1<2 | 18<R1<19 | 8<R2<9 |
| 后弯月型透镜5 | 1<n7<2 | 8 <R9<9 | 14<R10<15 |
| 平凸透镜6 | 1<n8<2 | 5<R12<6 | R13=∞ |
表2 无限远像距共焦显微物镜系统的双胶合透镜技术参数
上述已准直的单色激光光源可通过如下扩束准直系统获得：
如图6所示，所述单色激光扩束准直系统沿同一光轴从平行光源到物面依次排列着第一光阑8、第一弯月型透镜9、双凹透镜10、鼓型透镜11、理想透镜12，所述第一弯月型透镜9、双凹透镜10和鼓型透镜11组成激光扩束准直物镜组，第一光阑8之前是激光器发出的光源。其工作原理是：横向低频塞曼激光器发出单色可见光，经过第一光阑8、扩束准直物镜组的第一弯月型透镜9、双凹透镜10和鼓型透镜11，将激光器发出具有一定发散角的光束准直扩束，扩束后的光束发散角更小，光束口径增大满足光学系统对光源口径的需要。
与萧泽新等人所发表的基于OSLO的无限远像距消色差显微物镜的设计相比，他们的放大倍率只有20倍，本发明的光学系统的放大倍率能达到40倍，属于中高倍档次；数值孔径也比其大；由图2-5知，成像质量也要高一些，满足设计要求；体现出光源位置设置灵活；光源与共焦显微物镜组之间可以插入分光棱镜、滤波片、偏振片等器件而对系统的测量精度无影响；光路布局灵活，能满足共焦显微技术测量面型对光路的各种需要。
Claims (8)
1.一种无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述无限远像距显微物镜光学系统包括沿同一光轴依次排列的光阑(1)、前弯月型透镜(2)、第一双胶合透镜(3)、第二双胶合透镜(4)、后弯月型透镜(5)、平凸透镜(6)和被测物体(7)；其中：设显微物镜系统的焦距为f'，数值孔径为NA，入瞳直径为D，系统放大率为β，则8mm≤D≤10mm，0.4≤NA≤0.8，6mm≤f'≤8mm，且β＝250/f'。
2.根据权利要求1所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述光阑(1)位于前弯月型透镜(2)第一表面(2-1)处。
3.根据权利要求1所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述光阑(1)口径的值等于无限远像距显微物镜系统的入瞳直径D。
4.根据权利要求1、2或3所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述前弯月型透镜(2)、第一双胶合透镜(3)、第二双胶合透镜(4)、后弯月型透镜(5)、平凸透镜(6)的材料分别为环保型重钡火石玻璃、环保型氟冕玻璃、环保型重火石玻璃、环保型重冕玻璃、重火石玻璃、环保型轻冕玻璃、环保型重冕玻璃。
5.根据权利要求1、2或3所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述平凸透镜(6)第二面(6-1)距离物面的距离为显微物镜系统工作距离l，且l＞0.5mm。
6.根据权利要求1所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述光源是准直的单色激光，其光束口径大于显微物镜系统的入瞳直径D。
7.根据权利要求1所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述前弯月型透镜(2)和后弯月型透镜(5)的弯向都背对光阑(1)，第一双胶合透镜(3)和第二双胶合透镜(4)的胶合面弯向光阑(1)，平凸透镜(6)的凸向朝向光阑(1)。
8.根据权利要求1所述的无限远像距显微物镜光学系统，其特征在于所述前弯月型透镜(2)与双胶合透镜(3)之间的距离d1，双胶合透镜(3)与双胶合透镜(4)之间的距离d2，双胶合透镜(4)与后弯月型透镜(5)之间的距离d3，后弯月型透镜(5)与平凸透镜(6)之间的距离d4分别满足4mm＜d1＜5mm，9mm＜d2＜10mm，0.5mm＜d3＜1mm，1mm＜d4＜2mm。
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