CN109343199A - 一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜。其中所述第一透镜采用弯月正光焦度球面透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度球面透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凸正光焦度球面透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第七透镜采用平凸正光焦度球面透镜。本发明可实现110mm以上的超长工作距离探测成像；且分辨率优于1μm，可实现精细显微成像；另外本发明物方远心及低畸变，探测精度极高。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统。
背景技术
在微观成像领域，显微光学系统作为核心组件发挥了极其重要的作用，实现了对微细结构如生物医学领域的细胞、细菌、毛细血管的微米级甚至亚微米级的观测成像；也能够对微细结构如工业领域的CCD探测器像素坏点检测、长线阵CMOS探测器像素级拼接以及光导纤维焊接等进行精准的工业检测成像。显微光学系统的主要技术指标包括工作距离、分辨率、放大倍率、焦深、成像视场等，这些指标相互之间是互相制约，互相影响。在大倍率显微成像中，由于数值孔径较大，成像分辨率较高，显微光学系统难以实现长工作距离的观测，需要贴近物面进行观测以降低设计难度。
随着工业技术的发展，在某些高端应用领域，比如半导体生产、显示屏像素检测、晶体或玻璃生长过程监测、探测器像素级拼接等领域，被检测的物体需要存放在真空装置或前端有结构固定组件，显微光学系统无法对物体进行近距离的高分辨率成像。大倍率高分辨率及长工作距离的显微光学系统成为解决此类需求的关键部件。对当前市场上的显微光学系统进行调研，放大倍率15倍以上、分辨率在1μm级的显微光学系统工作距离一般不超过50mm，不能满足一些特殊高端检测需求。
发明内容
针对现有的物方远心光学系统存在的不足，本发明提供了一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、光阑；
所述第一透镜、第二透镜构成前透镜组，所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜构成后透镜组；
设所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ＝0.277，φ2/φ＝-0.206，φ3/φ＝0.305，φ4/φ＝0.147，φ5/φ＝-0.0445，φ6/φ＝-0.625,φ7/φ＝0.179。
进一步，所述像平面放置有相机设备。
进一步，所述第一透镜采用弯月正光焦度球面透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度球面透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凸正光焦度球面透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第七透镜采用平凸正光焦度球面透镜。
进一步，所述第一透镜前表面曲率半径为-112.128mm，后表面曲率半径为-72.438mm，中心厚度5.0mm，透镜通光口径为φ23.6mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-266.241mm，后表面曲率半径为40.193mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ24.2mm；所述第三透镜前表面曲率半径为132.145mm，后表面曲率半径为101.599mm，中心厚度为35.10mm，透镜通光口径为φ79.6mm；所述第四透镜前表面曲率半径为-493.910mm，后表面曲率半径为-114.513mm，中心厚度为9.02mm，透镜通光口径为φ76.8mm；所述第五透镜前表面曲率半径为449.664mm，后表面曲率半径为-83.550mm，中心厚度为18.32mm，透镜通光口径为φ80.4mm；所述第六透镜前表面曲率半径为-88.583mm，后表面曲率半径为-189.988mm，中心厚度为2.51mm，透镜通光口径为φ78.6mm；所述第七透镜前表面曲率半径为78.559mm，后表面曲率半径为∞，中心厚度为16.52mm，透镜通光口径为φ78.1mm。
进一步，所述第一透镜采用火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第三透镜采用火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜采用火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用火石玻璃材料制成。
本发明有益效果如下：
本发明结构紧凑，像质优良，采用了复杂化摄远型的结构型式，大幅缩短了光学系统的长度，有利于实现光学系统的轻小型化及低成本；
本发明光学系统的透镜数量少，光焦度分配合理，仅采用两种材料匹配设计即可完善校正光学系统的色差，透镜的加工及装配公差较低，可制造性程度高，有利于节省制造成本；
本发明的成像工作距离达到110mm，且物理分辨率优于1μm，当前市面上尚没有同时具备达到这两项指标的产品，能够满足要求超长工作距离及高分辨率显微成像的高端需求。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成结构示意图；
图2为本发明光学系统在500lp/mm处光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统的畸变图；
图4为本发明光学系统的照度图。
具体实施方式
为方便本领域普通技术人员更好地理解本发明的实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。
结合图1、图2、图3以及图4，一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，包括在光线沿像平面1到物平面2传播方向上依次排列的分光棱镜3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、光阑11、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜9、第七透镜10；
所述第一透镜4、第二透镜5构成前透镜组，第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜9以及第七透镜10构成后透镜组。其中照明光源通过分光棱镜3进行照明光路与显微成像光路的耦合。
所述像平面放置有相机设备，为了追求高精度一般采用工业CCD相机或是CMOS相机，来接受显微系统放大的物面信号，从而获得清晰高倍率的物面信息。
所述第一透镜4采用弯月正光焦度球面透镜、所述第二透镜5采用双凹负光焦度球面透镜、所述第三透镜6采用弯月负光焦度球面透镜、所述第四透镜7采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜8采用双凸正光焦度球面透镜、所述第六透镜9采用弯月负光焦度球面透镜、所述第七透镜10采用平凸正光焦度球面透镜。
本实施例中，各个透镜尺寸如下：所述第一透镜4前表面曲率半径为279.353mm，后表面曲率半径为-92.145mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ43.1mm；所述第二透镜5前表面曲率半径为80.439mm，后表面曲率半径为-83.128mm，中心厚度为6.62mm，透镜通光口径为φ40.6mm；所述第三透镜6前表面曲率半径为-83.128mm，后表面曲率半径为-1621.443mm，中心厚度为1.5mm，透镜通光口径为φ40.1mm；所述第四透镜7前表面曲率半径为40.460mm，后表面曲率半径为115.796mm，材中心厚度为9.99mm，透镜通光口径为φ37.0mm；所述第五透镜8前表面曲率半径为90.034mm，后表面曲率半径为17.589mm，中心厚度为10.0mm，透镜通光口径为φ13.3mm；所述第六透镜9前表面曲率半径为-67.526mm，后表面曲率半径为-47.459mm，中心厚度为9.57mm，透镜通光口径为φ42.1mm；所述第七透镜10前表面曲率半径为-215.047mm，后表面曲率半径为-89.201mm，中心厚度为8.22mm，透镜通光口径为φ52.2mm。
本实施例中，各个透镜制作材料如下：所述第一透镜4采用火石玻璃材料制成、所述第二透镜5采用冕牌玻璃材料制成、所述第三透镜6采用火石玻璃材料制成、所述第四透镜7采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜8采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜9采用火石玻璃材料制成、所述第七透镜10采用火石玻璃材料制成。
设所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜4至所述第七透镜10的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ＝0.277，φ2/φ＝-0.206，φ3/φ＝0.305，φ4/φ＝0.147，φ5/φ＝-0.0445，φ6/φ＝-0.625,φ7/φ＝0.179。
本实施例中，各透镜摆放位置关系为：第一透镜4与第二透镜5的距离为0.90mm；第二透镜5与光阑11的距离为133.48mm；光阑11与第三透镜6的距离为52.95mm；第三透镜6与第四透镜7的距离为9.67mm；第四透镜7与第五透镜8的距离为0.20mm；第五透镜8与第六透镜9的距离为5.00mm；第六透镜9与第七透镜10的距离为0.20mm；第七透镜10与物平面2的距离为110mm。
本发明所述光学系统属于物方远心光路，主光线与光轴的夹角不超过0.01°。
由图2可知，本光学系统所有视场的光学传递函数值在500lp/mm时基本达到了0.4，接近了衍射极限，成像质量良好。
由图3可以看出，本发明在像方视场15mm范围内，畸变不超过0.002％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差。
由图4可以看出，本发明在像方视场15mm范围内，相对照度优于99.99％，全视场照度分布均匀，避免了照度差异引起的测量精度下降。
本实施例，通过上述透镜组成的光学系统所达到的技术指标如下：
物方数值孔径：0.3；
物方成像尺寸：1mm；
物方工作距离：110mm；
放大倍率：15X；
光学相对畸变：≤0.002％；
像方成像尺寸：15mm；
物方远心度：≤0.01°；
光学总长：≤265mm；
相对照度：≥99.99％。
在本发明实例中，主要解决大相对孔径实现高分辨率与长工作距离下像差校正的矛盾难题。为了实现1μm以内的高分辨率，显微光学系统的数值孔径达到0.3以上；由于工作距离达到110mm，此时透镜的口径已经达到φ80mm以上，以球差为代表的像差急剧增加，除了三级像差以及五级像差外，还会产生七级以上像差。本发明实例为了解决该难题，采用复杂化的摄远型结构，主要对物面一侧的透镜组进行复杂化设计，采用了近乎不晕透镜承担光焦度，降低像差的引入；采用双分离透镜校正色差及彗差；采用厚透镜校正场曲以及缩短系统长度。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了球差、彗差、像散、场曲以及畸变等单色像差；在校正色差方面，一方面采用紫外光进行成像照明，降低了色差的校正难度，同时采用双分离透镜将剩余的色差及二级光谱进行校正。最终获得了近衍射极限的成像质量，在工作距离达到110mm的条件下，成像分辨率优于1μm，这是市面上现有产品无法实现的。
并且在本发明实例中，物方远心度不超过0.01°，物方远心设计可以有效解决透视图像失真的问题，可以获得无失真的高分辨率图像，有利于采用显微成像实现高精度的对准测量。此外，全视场畸变不超过0.002％，远优于市场上相同探测视场及探测倍率的光学系统，消除了畸变引起的测量误差，提高了光学系统的测量精度。由上述镜头的光学指标可以得知，本发明光学系统的总长仅265mm，且只采用了7片透镜达到近衍射极限成像质量，具有体积小，重量轻，制造成本低的优点，有利于在市场上进行推广。
以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地，在本发明实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，其特征在于：包括在光线沿像平面到物平面传播方向上依次排列的分光棱镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；
所述第一透镜、第二透镜构成前透镜组，所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜构成后透镜组；
设所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜至所述第七透镜的光焦度依次为φ1至φ7，则φ1/φ＝0.277，φ2/φ＝-0.206，φ3/φ＝0.305，φ4/φ＝0.147，φ5/φ＝-0.0445，φ6/φ＝-0.625,φ7/φ＝0.179。
2.根据权利要求1所述的一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，其特征在于：所述像平面放置有相机设备。
3.根据权利要求1所述的一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用弯月正光焦度球面透镜、所述第二透镜采用双凹负光焦度球面透镜、所述第三透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第四透镜采用弯月正光焦度透镜、所述第五透镜采用双凸正光焦度球面透镜、所述第六透镜采用弯月负光焦度球面透镜、所述第七透镜采用平凸正光焦度球面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，其特征在于：所述第一透镜前表面曲率半径为-112.128mm，后表面曲率半径为-72.438mm，中心厚度5.0mm，透镜通光口径为φ23.6mm；所述第二透镜前表面曲率半径为-266.241mm，后表面曲率半径为40.193mm，中心厚度为3.0mm，透镜通光口径为φ24.2mm；所述第三透镜前表面曲率半径为132.145mm，后表面曲率半径为101.599mm，中心厚度为35.10mm，透镜通光口径为φ79.6mm；所述第四透镜前表面曲率半径为-493.910mm，后表面曲率半径为-114.513mm，中心厚度为9.02mm，透镜通光口径为φ76.8mm；所述第五透镜前表面曲率半径为449.664mm，后表面曲率半径为-83.550mm，中心厚度为18.32mm，透镜通光口径为φ80.4mm；所述第六透镜前表面曲率半径为-88.583mm，后表面曲率半径为-189.988mm，中心厚度为2.51mm，透镜通光口径为φ78.6mm；所述第七透镜前表面曲率半径为78.559mm，后表面曲率半径为∞，中心厚度为16.52mm，透镜通光口径为φ78.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种长工作距离大倍率物方远心显微光学系统，其特征在于：所述第一透镜采用火石玻璃材料制成、所述第二透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第三透镜采用火石玻璃材料制成、所述第四透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第五透镜采用冕牌玻璃材料制成、所述第六透镜采用火石玻璃材料制成、所述第七透镜采用火石玻璃材料制成。
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