CN105181303A - 无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪及测试精度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，包括：提供照明均匀光的光源；成像装置包括用于成像的无限远共轭距显微物镜和管透镜、位于无限远共轭距显微物镜前焦面上用于为无限远共轭距显微物镜提供黑斑的黑体目标板；三目观察装置，包括可上下移动的半五角棱镜，用于观察保证测量时黑斑位置放置正确；滤光装置，成像装置出射的光通过滤光装置过滤后输出可见光波段；第一光阑，其接收可见光波段并选择可见光波段中黑斑的特定黑斑像区域的光用于测量；测试积分球，其对接收的第一光阑选择的测量光进行均光和衰减；光电倍增管，其用于测量经测试积分球均光和衰减的光的能量；本发明具有杂散光源减少、测量精度高的优点。

Description

无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪及测试精度调节方法

技术领域

本发明涉及光学测试领域，更具体地说，本发明涉及一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪及测试精度调节方法。

背景技术

目前，测量光学系统的杂散光的方法主要有两种，一种为黑斑法(也称为面源法)，另一种为点源法。由于点源法采用的是点扫的方式，光线在进入光学系统前，必须对光线进行准直，因此对于中心视场，它很难测量由透镜边缘、镜框和镜筒反射及散射所产生的杂光，同时，对于小口径、大视场角的显微物镜，平行光照明与真实照明情况差别很大，测量结果难以反映显微物镜内部杂散光的真实情况，因此对于显微物镜的杂散光测试一般采用黑斑法。

黑斑法的原理是测量张角近似为π的亮背景所产生的轴上点附近区域内杂散光的积分值。其杂光系数(VGI)定义为：在均匀亮度的扩展视场中放置一个黑斑，经被测样品成像后，其像中心区域上的光照度与移去黑斑放上白斑后在像面上同一处的光照度之比。VGI用百分比表示。式中，I_b为黑斑的光照度，I_w为移去黑斑后的光照度。

影响黑斑测量精度的主要因数有：物镜视场照明均匀性，照明数值孔径匹配，黑体目标板黑白对比度，除被测件外杂散光源数量，物镜调焦精度，光电倍增管弱光探测能力等。

现有技术中，显微物镜的杂散光测试仪结构由积分球扩展均匀光源、可变光阑、黑体目标板、被测物镜、目视系统、、及探测器、组成。对于低倍、小数值孔径显微物镜，该显微物镜的杂散光测试仪可很好地用于杂散光测量；对于高倍、大数值孔径显微物镜，该显微物镜的杂散光测试仪则有一定的缺陷，主要是针对数值孔径大于1的显微物镜，如果黑体目标板本身不具备散射特性，不能保证照明数值孔径与物镜数值孔径匹配；而工艺上要同时保证黑白对比度和朗伯散射特性的黑体目标板很难达到，也即意味着该装置基本不能用于数值孔径大于1的显微物镜杂散光测量。同时该显微物镜的杂散光测试仪中分光元件、分划板和目镜组成的目视系统相当于一个杂散光源，会给显微物镜杂散光测量结果带来影响。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，通过使用积分球面扩展光源和浸油的余弦漫透射片组合成照明数值孔径大于1且照明均匀的光源、可上下移动的半五角棱镜实现三目观察装置不构成新的杂散光源，并进一步通过调节积分球与余弦漫透射片之间的距离、积分球面扩展光源开口直径、余弦漫透射片口径来调节光源的均匀性，从而使本发明提供的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪具有满足照明数值孔径大于1的无限远共轭距显微物镜的杂散光测量、杂散光源减少、测量精度高的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：

本发明所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，依次包括：

光源，用于提供照明均匀的光；

成像装置，用于接收所述光源发射的光并成像；所述成像装置包括组合用于成像的无限远共轭距显微物镜和管透镜、位于所述无限远共轭距显微物镜前焦面上并用于为所述无限远共轭距显微物镜提供黑斑的黑体目标板；

三目观察装置，用于观察保证测量时黑斑的位置放置正确；

滤光装置，所述成像装置出射的光通过所述滤光装置过滤后输出可见光波段；

第一光阑，其接收所述可见光波段并选择所述可见光波段中所述黑斑的特定黑斑像区域的光用于测量；

测试积分球，其对接收的所述第一光阑选择的测量光进行均光和衰减；以及，

光电倍增管，其用于测量经所述测试积分球均光和衰减的光的能量；

其中，所述三目观察装置依次包括：可上下移动的半五角棱镜、分光棱镜、空间棱镜、直角棱镜、第一目镜以及第二目镜；所述成像装置成像后发射的光依次经过所述半五角棱镜后方向转变45度后经过所述分光棱镜分成两束反向平行光，所述两束反向平行光中的一束通过所述空间棱镜到达所述第一目镜、另一束通过所述直角棱镜到达所述第二目镜。

优选的是，所述滤光装置依次包括截止400nm以下光谱的高通滤光片以及截止700nm以上光谱的低通滤光片。

优选的是，所述光源包括：

组合光源，其包括积分球面扩展光源和浸油处理的余弦漫透射片；以及，

第二光阑，用于改变所述组合光源的照明数值孔径。

优选的是，所述积分球面扩展光源和所述余弦漫透射片通过发黑处理的连接筒连接。

一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度调节方法，设所述积分球面扩展光源与所述余弦漫透射片之间的距离Z₀，所述积分球面扩展光源开口直径r₀，所述余弦漫透射片口径r₁，极坐标半径r，所述积分球面扩展光源开口处光亮度值L₀；那么，

所述积分球面扩展光源开口至所述余弦漫透射片中心点光照强度为E(0)，且E(0)满足： $E\left(0\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2};$

所述积分球面扩展光源开口至所述余弦漫透射片上距离其中心r₁处的光照度值为E(r₁)，且E(r₁)满足： $E\left(r_1\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2};$

则，所述光源发出的光均匀性等于

即， $\frac{E\left(r_1\right)}{E\left(0\right)}=\frac{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2}}{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}.$

优选的是，分别调节r₀、r₁以及Z₀，当r₀＝90mm、r₁＝20mm、Z₀＝100mm时，所述光源发出的光均匀性大于0.985。

本发明至少包括以下有益效果：

1)三目观察装置中半五角棱镜可上下移动改变分光比，保证三目观察装置观察黑体目标板有足够的光强；半五角棱镜移开后，所有的光均用于测试，提高测试的精度的同时，三目观察装置也不构成新的杂散光源，减少杂散光源，从而提高无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测量精度；另外，三目观察装置对成像装置焦平面可以进行更好地定位，提高了黑体目标板的定位精度；

2)调节积分球与余弦漫透射片之间的距离、积分球面扩展光源开口直径、余弦漫透射片口径来调节光源的均匀性，使得光的均匀性大于0.985，进一步提高无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度；

3)通过使用积分球面扩展光源和浸油处理的余弦漫透射片组合成照明数值孔径大于1且照明均匀的光源；实现照明数值孔径大于1的无限远共轭距显微物镜的杂散光测量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1所示，本发明所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，依次包括：

光源10，用于提供照明均匀的光；

成像装置20，用于接收光源10发射的光并成像；成像装置20包括组合用于成像的无限远共轭距显微物镜22和管透镜23、位于无限远共轭距显微物镜22前焦面上并用于为无限远共轭距显微物镜22提供黑斑的黑体目标板21；

三目观察装置30，用于观察以保证测量时黑斑的位置放置正确；

滤光装置40，成像装置20出射的光通过滤光装置40过滤后输出可见光波段；

第一光阑50，其接收可见光波段并选择可见光波段中黑斑的特定黑斑像区域的光用于测量；

测试积分球60，其对接收的第一光阑50选择的测量光进行均光和衰减；以及，

光电倍增管70，其用于测量经测试积分球60均光和衰减的光的能量；

其中，三目观察装置30依次包括：可上下移动的半五角棱镜31、分光棱镜32、空间棱镜33、直角棱镜34、第一目镜35以及第二目镜36；成像装置20成像后发射的光依次经过半五角棱镜31后方向转变45度后经过分光棱镜32分成两束反向平行光，两束反向平行光中的一束通过空间棱镜33到达第一目镜35、另一束通过直角棱镜34到达第二目镜36。

本发明实施方式提供的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的工作过程如下：

光源10发出照明均匀的光给成像装置20，光源10的光透过位于无限远共轭距显微物镜22前焦面上的黑体目标板21时，黑体目标板21为无限远共轭距显微物镜22提供黑斑(具体来说，黑体目标板21提供一个被测的无限远共轭距显微物镜22物方视场十分之一大小的黑斑)，光源10的光透过黑体目标板21到达无限远共轭距显微物镜22和管透镜23实现成像；此时，通过调节可上下移动的半五角棱镜31(半五角棱镜31的移动方向如图1箭头方向所示)，使得透过黑体目标板21到达无限远共轭距显微物镜22和管透镜23成像后的光经过经过半五角棱镜31后方向转变45度后经过分光棱镜32分成两束反向平行光，两束反向平行光中的一束通过空间棱镜33到达第一目镜35、另一束通过直角棱镜34到达第二目镜36，工作人员即可通过第一目镜35和第二目镜36观察黑体目标板21为无限远共轭距显微物镜22提供的黑斑位置，以保证测量时黑斑的位置放置正确；待黑斑位置确定后，继续调节可上下移动的半五角棱镜31，使得整个三目观察装置30撤离原无限远共轭距显微物镜22和管透镜23成像后的光路，从而使三目观察装置不构成新的杂散光源；无限远共轭距显微物镜22和管透镜23成像后的光进入滤光装置40过滤输出可见光波段，第一光阑50接收可见光波段并选择可见光波段中黑斑的特定黑斑像区域的光用于测量(第一光阑50选择的特定黑斑像区域是五分之一大小的黑斑成像)；测试积分球60对接收的第一光阑50选择的测量光进行均光和衰减；光电倍增管70测量经测试积分球60均光和衰减的光的能量。

其中，无限远共轭距显微物镜22和管透镜23是相互匹配的，无限远共轭距显微物镜22在与之匹配的管透镜23的配合下实现成像。通过上下移动的半五角棱镜31，可以改变分光比，保证三目观察装置30观察黑体目标板21有足够的光强，并且三目观察装置30中第一目镜35和第二目镜36构成的双目观察比单目观察精度更高。待黑体目标板21位置进行调整并确定后，移开半五角棱镜31，使得整个三目观察装置30撤离原无限远共轭距显微物镜22和管透镜23成像后的光路，从而使三目观察装置不构成新的杂散光源，减小杂散光源对测量精确性的影响，提高无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测量精确性；半五角棱镜31移开后，原光路所有的光均用于测试，进一步提高测量的精确性。另外，三目观察装置30对成像装置20焦平面可以进行更好地定位，提高了黑体目标板21的定位精度，。

作为本发明实施方式的另一种实施方式，滤光装置40依次包括截止400nm以下光谱的高通滤光片41以及截止700nm以上光谱的低通滤光片42。依次设置的截止400nm以下光谱的高通滤光片41和截止700nm以上光谱的低通滤光片42，使得滤光装置40输出可见光波段用于测试。

作为本发明实施方式的另一种实施方式，光源10包括：组合光源11，其包括积分球面扩展光源111和浸油处理的余弦漫透射片112；以及，第二光阑12，用于改变组合光源11的照明数值孔径。通过第二光阑12改变积分球面扩展光源111和余弦漫透射片112组成的组合光源11的照明数值孔径，实现对所有无限远共轭距显微物镜22进行杂散光的测量。另外，一般的余弦漫透射片112是由乳白玻璃片或毛玻璃扩散构成，通过对余弦漫透射片112上进行浸油处理，在第二光阑12的辅助配合下，可以将组合光源11的照明数值孔径调整为大于1，从而为照明数值孔径大于1的显微物镜的杂散光测量提供一种具体的实施方式。

作为本发明实施方式的另一种实施方式，积分球面扩展光源111和余弦漫透射片112通过发黑处理的连接筒(图中未示出)连接。连接筒发黑处理，以尽量避免反射光或散射光进入余弦漫透射片112，从而保证到达余弦漫透射片112的光的均匀性。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2提供一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度调节方法。光的均匀性影响着无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度：光的均匀性越大，测试精度越高。所以，通过调节光的均匀性使其变大可以提高无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度。但是，光的均匀性与传输距离成正比，光的能量与传输距离成反比。于是，设积分球面扩展光源111与余弦漫透射片112之间的距离Z₀，积分球面扩展光源111开口直径r₀，余弦漫透射片112口径r₁，极坐标半径r，积分球面扩展光源111开口处光亮度值L₀；那么，

积分球面扩展光源111开口至余弦漫透射片112中心点光照强度为E(0)，且E(0)满足： $E\left(0\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2};---\left(1\right)$

积分球面扩展光源111开口至余弦漫透射片112上距离其中心r₁处的光照度值为E(r₁)，且E(r₁)满足： $E\left(r_1\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2};---\left(2\right)$

光源10发出的光均匀性等于则，

$\frac{E\left(r_1\right)}{E\left(0\right)}=\frac{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2}}{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}rcos\mathrm{\α})}^2}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}d\mathrm{\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{rdr}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{{\mathrm{\πL}}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}---\left(3\right)$

通过公式(3)可知，要想提高光的均匀性，同时保证到达余弦漫透射片的光满足测试要求)，则，需要通过调节积分球面扩展光源111与余弦漫透射片112之间的距离Z₀、积分球面扩展光源111的开口直径r₀以及余弦漫透射片112的口径r₁。

作为本发明实施方式的另一种实施方式，根据公式(3)调节r₀、r₁、Z₀，当r₀＝90mm、r₁＝20mm、Z₀＝100mm，光源10发出的光均匀性大于0.985，此时，无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度较高。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，其特征在于，依次包括：

光源，用于提供照明均匀的光；

成像装置，用于接收所述光源发射的光并成像；所述成像装置包括组合用于成像的无限远共轭距显微物镜和管透镜、位于所述无限远共轭距显微物镜前焦面上并用于为所述无限远共轭距显微物镜提供黑斑的黑体目标板；

三目观察装置，用于观察保证测量时黑斑的位置放置正确；

滤光装置，所述成像装置出射的光通过所述滤光装置过滤后输出可见光波段；

第一光阑，其接收所述可见光波段并选择所述可见光波段中所述黑斑的特定黑斑像区域的光用于测量；

测试积分球，其对接收的所述第一光阑选择的测量光进行均光和衰减；以及，

光电倍增管，其用于测量经所述测试积分球均光和衰减的光的能量；

其中，所述三目观察装置依次包括：可上下移动的半五角棱镜、分光棱镜、空间棱镜、直角棱镜、第一目镜以及第二目镜；所述成像装置成像后发射的光依次经过所述半五角棱镜后方向转变45度后经过所述分光棱镜分成两束反向平行光，所述两束反向平行光中的一束通过所述空间棱镜到达所述第一目镜、另一束通过所述直角棱镜到达所述第二目镜。

2.如权利要求1所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，其特征在于，所述滤光装置依次包括截止400nm以下光谱的高通滤光片以及截止700nm以上光谱的低通滤光片。

3.如权利要求1或2中所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，其特征在于，所述光源包括：

组合光源，其包括积分球面扩展光源和浸油处理的余弦漫透射片；以及，

第二光阑，用于改变所述组合光源的照明数值孔径。

4.如权利要求3所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪，其特征在于，所述积分球面扩展光源和所述余弦漫透射片通过发黑处理的连接筒连接。

5.一种如权利要求4所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的测试精度调节方法，其特征在于，

设所述积分球面扩展光源与所述余弦漫透射片之间的距离Z₀，所述积分球面扩展光源开口直径r₀，所述余弦漫透射片口径r₁，极坐标半径r，所述积分球面扩展光源开口处光亮度值L₀；那么，

所述积分球面扩展光源开口至所述余弦漫透射片中心点光照强度为E(0)，且E(0)满足： $E\left(0\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{\mathrm{\π}{L}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2};$

所述积分球面扩展光源开口至所述余弦漫透射片上距离其中心r₁处的光照度值为E(r₁)，且E(r₁)满足： $E\left(r_1\right)=L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}r\cos \mathrm{\α})}^2};$

则，所述光源发出的光均匀性等于

即， $\frac{E\left(r_1\right)}{E\left(0\right)}=\frac{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}r\cos \mathrm{\α})}^2}}{L_0{Z_0}^2{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{\mathrm{\π}{L}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2+{r_1}^2-2r_{1}r\cos \mathrm{\α})}^2}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{d\α}{\∫}_0^{r_0}\frac{\mathrm{rdr}}{{({Z_0}^2+r^2)}^2}=\frac{\mathrm{\π}{L}_0{r_0}^2}{{Z_0}^2+{r_0}^2}}.$

6.如权利要求5所述的无限远共轭距显微物镜杂散光测试仪的精度调节方法，其特征在于，

分别调节r₀、r₁以及Z₀，当r₀＝90mm、r₁＝20mm、Z₀＝100mm时，所述光源发出的光均匀性大于0.985。