CN106370129B - 5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，属于显微物镜设计领域。本发明的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统包括沿同一光轴从左向右排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、分光棱镜和垂直于光轴设置的参考平板。本发明的干涉显微物镜光学系统的放大倍率为5X，数值孔径为0.13，工作距离达到15毫米。本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统结构简单，工作距离长，成像质量好，适用于多种干涉显微镜，可用于测量表面微观三维轮廓。

Description

5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统
技术领域
本发明属于显微物镜光学系统设计领域，适用于微观表面三维形貌的干涉测量。
背景技术
干涉显微物镜主要应用于微观表面三维形貌测量中，如工业和科研领域常用的非接触式轮廓仪，就需要配各种倍率的干涉显微物镜来使用。干涉显微物镜主要有Michelson(迈克尔逊)型、Mirau(米勒)型和Linnik(林尼克)型三种结构，每种结构尤其各自的优缺点，适用于不同待测样品的测量。
Michelson型干涉显微镜是在一个长工作距显微物镜前加一个分光棱镜，利用分光棱镜将入射光束分成两束，一束光入射到参考面表面后返回，另一束光入射到待测件表面后返回，两束光在分光棱镜处重合后发生干涉，根据其产生的干涉条纹，可以分析待测件的微观特性。Michelson型干涉显微物镜具有工作距离长的优点，其放大倍率一般为1X—5X。马骏等人所申请的中国专利“可调节的迈克尔逊型的干涉显微套筒装置”(申请号：CN201310364091.2)提出了一种基于迈克尔逊干涉结构的套筒装置，将它加在普通显微物镜前，可将普通显微物镜改造为干涉显微物镜，此发明专利中，应用了一块分光棱镜作为分光器件，会增加光学系统的球差，降低成像质量，影响其测量精度。
Mirau型干涉显微物镜是在一个长工作距离显微物镜前加入两块等厚的光学平板，一块作为分光板，另一块作为标准板。分光板将入射光分为两束，一束作为参考光打在参考板表面，另一束作为测试光打在被测样品表面。两束光分别被反射后相遇而产生干涉，分析干涉条纹，可得被测件表面的微观三维形貌。Mirau型干涉显微物镜结构紧凑，近似共光路，抗干扰能力好，其倍率一般为10X—100X。马骏等人所申请的中国专利“一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜”(专利号：ZL201310124780.6)提出了一种机械结构，可在普通长工作距离显微物镜前，通过加装一块标准板和一块分光板产生Mirau干涉结构，将显微物镜改造成一个Mirau型干涉显微物镜，该结构可实现对两平板的夹持和调整平板间距的作用，结构简单，成本低，方便实用。但该装置通过加装光学平板的改造方案，增加了显微物镜光学系统的球差，成像质量下降，使该方法改造而成的干涉显微物镜进行的干涉测量，会对测量精度造成影响。徐静浩等人所申请的中国专利“干涉显微物镜光学系统”(申请号：CN201310468484.8)中，设计了一套Mirau干涉显微物镜光学系统，该系统使用十一片球面透镜和三片光学平板，系统结构复杂、成本高。
Linnik型干涉显微物镜是通过分光棱镜分光，一部分光通过一个显微物镜后聚焦于参考板上形成参考光，另一部分光通过另一个显微物镜聚焦于被测面，形成测试光，测试光和参考光经反射返回光学系统形成干涉。Linnik型干涉显微物镜使用两个显微物镜，且要求这两个显微物镜的光学指标几乎要完全相同，不然会对测量结果造成影响，选择两个完全相同的物镜会造成成本大大增加。
发明内容
本发明提供一种5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的设计方案，该系统结构简单，使用光学元件少，成本低，并且具有很长的工作距离，其工作距离可达15mm，适用于可见光宽光谱波段的干涉测量，成像质量优异，成像质量接近衍射极限。
为了实现发明目的，本发明的具体技术方案如下：
一种5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于所述5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统包括沿同一光轴从左向右排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、分光棱镜5和垂直于光轴设置的参考平板6；其中，第一透镜1的口径为12毫米，中心厚为2.7毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为18.14毫米，右球面曲率半径为-25.82毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；第二透镜2的口径为12毫米，中心厚为3.5毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-25.82毫米，右球面曲率半径为160.588毫米，采用的玻璃牌号为H-LaK50；第三透镜3的口径为11毫米，中心厚为2.72毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为27.778毫米，右球面曲率半径为12.532毫米，采用的玻璃牌号为H-ZLAF75；第四透镜4的口径为11毫米，中心厚为3.6毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为12.532毫米，右球面曲率半径为36.843毫米，采用的玻璃牌号为H-QK1；分光棱镜5为立方棱镜，各边长度为10毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；参考板6为一圆形光学平板，其直径为10毫米，厚度为2毫米，采用的玻璃牌号为JGS3；第二透镜2与第三透镜3的间隔为5毫米，第四透镜4与分光棱镜5的间隔为5毫米，分光棱镜5与参考板6的间隔为19毫米。
所述的第一透镜1与第二透镜2为双胶合透镜。
所述的第三透镜3与第四透镜4为双胶合透镜。
所述的分光棱镜5为消偏振分光镜，透射比与反射比为50％：50％。
所述的参考板6上表面镀消偏振分光膜，透射比与反射比为50％：50％。
所述的参考板6上表面的表面粗糙度Ra值为0.1纳米。
所述的系统的数值孔径为0.13，工作距离为15毫米。
5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统其工作原理是平行光照明，照明光依次通过的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4，在分光棱镜5处光束被分成两束，一束入射到参考平板表面返回，另一束入射到待测件表面返回，两束光在分光棱镜处重合后发生干涉，根据其产生的干涉条纹，可以分析待测件的微观特性。
附图说明
图1为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的结构示意图；
图2为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的传递函数曲线图；
图3为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的波像差曲线图；
图4为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的场曲/畸变曲线图；
图5为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的垂轴像差曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于所述5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统包括沿同一光轴从左向右排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、分光棱镜5和垂直于光轴设置的参考平板6；其中，第一透镜1的口径为12毫米，中心厚为2.7毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为18.14毫米，右球面曲率半径为-25.82毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；第二透镜2的口径为12毫米，中心厚为3.5毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-25.82毫米，右球面曲率半径为160.588毫米，采用的玻璃牌号为H-LaK50；第三透镜3的口径为11毫米，中心厚为2.72毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为27.778毫米，右球面曲率半径为12.532毫米，采用的玻璃牌号为H-ZLAF75；第四透镜4的口径为11毫米，中心厚为3.6毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为12.532毫米，右球面曲率半径为36.843毫米，采用的玻璃牌号为H-QK1；分光棱镜5为立方棱镜，各边长度为10毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；参考板6为一圆形光学平板，其直径为10毫米，厚度为2毫米，采用的玻璃牌号为JGS3；第二透镜2与第三透镜3的间隔为5毫米，第四透镜4与分光棱镜5的间隔为5毫米，分光棱镜5与参考板6的间隔为19毫米。
本发明的第一透镜1与第二透镜2为双胶合透镜。
本发明的第三透镜3与第四透镜4为双胶合透镜。
本发明的分光棱镜5为消偏振分光镜，透射比与反射比为50％：50％。
本发明的参考板6上表面镀消偏振分光膜，透射比与反射比为50％：50％。
本发明的参考板6上表面的表面粗糙度Ra值为0.1纳米。
本发明的光学系统的数值孔径为0.13，工作距离为15毫米。
本发明所述光学系统为无限共轭距光学系统，工作时需平行光入射照明，并配备焦距为200毫米的管镜使用。
5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统其工作原理是平行光照明，照明光依次通过的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4，在分光棱镜5处光束被分成两束，一束入射到参考平板表面返回，另一束入射到待测件表面返回，两束光在分光棱镜处重合后发生干涉，根据其产生的干涉条纹，可以分析待测件的微观特性。
图2为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的传递函数曲线图，如图可以看出传递函数在0视场、0.5视场、0.707视场和全视场，光学传递函数在48线对/毫米时，均大于0.3以上。
图3为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的波像差曲线图，图中可见，波长在486nm—656nm波段范围内，全视场范围内均优于衍射极限。
图4为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的场曲/畸变曲线图，从图中可见整个系统的最大光学畸变小于0.5％。
图5为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统的垂轴像差曲线图，图中纵坐标最大值为±50微米，波长在486nm—656nm范围内，各色光曲线形状相似，偏差最大值控制在20微米以内。
为本发明5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统可在可见光波段486nm—656nm范围内工作，其数值孔径为0.13，工作距离达到15毫米，成像质量接近衍射极限。

Claims (7)

1.一种5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于所述5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统包括沿同一光轴从左向右排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、分光棱镜(5)和垂直于光轴设置的参考板(6)；其中，第一透镜(1)的口径为12毫米，中心厚为2.7毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为18.14毫米，右球面曲率半径为-25.82毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；第二透镜(2)的口径为12毫米，中心厚为3.5毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-25.82毫米，右球面曲率半径为160.588毫米，采用的玻璃牌号为H-LaK50；第三透镜(3)的口径为11毫米，中心厚为2.72毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为27.778毫米，右球面曲率半径为12.532毫米，采用的玻璃牌号为H-ZLAF75；第四透镜(4)的口径为11毫米，中心厚为3.6毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为12.532毫米，右球面曲率半径为36.843毫米，采用的玻璃牌号为H-QK1；分光棱镜(5)为立方棱镜，各边长度为10毫米，采用的玻璃牌号为H-K9L；参考板(6)为一圆形光学平板，其直径为10毫米，厚度为2毫米，采用的玻璃牌号为JGS3；第二透镜(2)与第三透镜(3)的间隔为5毫米，第四透镜(4)与分光棱镜(5)的间隔为5毫米，分光棱镜(5)与参考板(6)的间隔为19毫米。
2.根据权利要求1所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：第一透镜(1)与第二透镜(2)为双胶合透镜。
3.根据权利要求1所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：第三透镜(3)与第四透镜(4)为双胶合透镜。
4.根据权利要求1所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：分光棱镜(5)为消偏振分光镜，透射比与反射比为50％：50％。
5.根据权利要求1所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：参考板(6)上表面镀消偏振分光膜，透射比与反射比为50％：50％。
6.根据权利要求1所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：参考板(6)上表面的表面粗糙度Ra值为0.1纳米。
7.根据前述权利要求任意一项所述的5倍迈克尔逊型干涉显微物镜光学系统，其特征在于：系统的数值孔径为0.13，工作距离为15毫米。
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