CN109580183A - 大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法 - Google Patents

大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法，该系统包括激光器、准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃、第一分光镜、第二分光镜、波前传感器、聚光镜、光阑、光电倍增管、校准平面镜及盖玻片。本发明公开了一种非相干式测量显微物镜波像差的方法，本发明可适用于任意大数值孔径(浸油/非浸油)显微物镜波像差测量；利用入射平行光束口径大于显微物镜出瞳，能保证任意大数值孔径显微物镜波像差测量；本发明采用非相干测量模式，可减少杂散条纹的影响，通过精确对焦功能，确保测量波像差无离焦因素影响，同时利用盖玻片自身反射，测量的波像差与显微物镜设计及真实使用状态一致，更能实现显微物镜的精准测量。

Description

大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，显微镜的应用领域愈来愈广。除了传统的教学、科研、医疗和工业等应用领域外，在微电子制造、新材料研发、生命科学研究和新药开发等领域都有新的应用。2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔等三位科学家，以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所作的贡献，该奖项的颁布进一步推动了显微技术向超分辨领域的快速发展，也促进了高端显微系统和仪器的研发。此外，生命科学和医疗健康行业在我国国民经济中的地位日益突出，以显微技术为基础的数字化病理切片仪、二代基因测试仪等先进医疗成像及诊断仪器的需求日益增大。这些因素使古老的显微技术换发了新的生机，显微领域的技术也需随时代而进步。显微镜系统最核心的部件是显微物镜，其作用相当于航空飞机的发动机。显微物镜的质量决定了显微镜系统的性能指标。
评价显微物镜成像质量最科学有效的方法是出瞳波像差测量，针对显微物镜波像差的测量，泰曼格林于20世纪提出四种基于泰曼格林干涉仪测量显微物镜波像差的方法(光学车间检测一书中有详细论述)，第一种利用凹面半球镜，一束大于出瞳的测量光束经显微物镜会聚，再经凹面半球镜共轭反射回去，这种方法对于长工作距、无盖玻片、非浸油的显微物镜非常准确，但对于有盖玻片、浸油的显微物镜，该方法适用性很差，一、半球镜须浸油，很难保证油均匀；二、凹面镜上面必须加盖玻片，盖玻片与物镜之间还需浸油，极短工作距造成该种方式下共轭点非常难找，不具备实际操作性。第二种方法将凹面半球镜变成凸面半球镜，该种方法可以将盖玻片和标准镜集成至一起，理论上解决了第一种方法盖玻片放置及油的不均匀性问题。但实际上对半球镜的加工提出了更高地要求，除了面型外，还有中心厚度要求。此外这种方法也很难寻找共轭点，操作起来复杂。
第三种方法，利用平面镜将测量光束反射回去，这种方法与带盖玻片显微镜真实波像差有差别，而且不易确定显微物镜焦平面。第四种方法需要一个参考显微物镜，参考显微物镜的数值孔径必须大于被测量显微物镜的数值孔径，测量方式有两种，一种默认参考显微物镜的波像差为零，测量结果即为待测显微物镜的波像差，一般以一个标准的显微物镜作为参考物镜，第二种通过三个显微物镜旋转180度比较测量，获得待测显微物镜的波像差，此方法对旋转精度有很高要求，两种测量方式的共轭点均不易寻找。
以上四种方法均建立在干涉的基础上，其核心为泰曼格林干涉仪，通过测量光束与参考光束干涉条纹获得显微物镜波像差，由于显微物镜本身内部含有多组镜片，因此除主要干涉条纹外，还有一些杂光条纹，杂光条纹也对测量结果造成影响。
国内针对显微物镜波像差测量的专利主要有三个：一个是中科院长春光机所巩岩、李晶申请的“一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法”(专利号201410374370.1)，中科院苏州医工所张运海申请的“物镜波像差检测系统”(专利号201310246734.3)，南京东利来公司的“大数值孔径浸油镜头波像差检测装置”(专利号201720366532.6)，第一种采用的是哈特曼传感器方法，光路采用透射式光路，经扩散板发射的光看成一束标准球面波，改方法最大的缺陷就是数值孔径测量有限，目前国内外扩散板最大发射孔径为0.8，而且不能浸油，不能放置盖玻片，因此只能测量数值孔径低于0.8且不含盖玻片的干镜。张运海的专利与泰曼格林第四种类似，采用旋转物镜的办法，东利来公司的专利与泰曼格林第二种方法类似，这些方法对于测量大数值孔径(超过1.0)显微物镜波像差均存在以上说明的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种大数值孔径显微物镜波像差测量系统和测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大数值孔径显微物镜波像差测量系统，包括激光器、准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃、第一分光镜、第二分光镜、波前传感器、聚光镜、光阑、光电倍增管、校准平面镜及下表面镀有全反射膜的盖玻片；
其中，该系统对显微物镜进行测量前，先不装显微物镜和所述盖玻片，将所述校准平面镜装入系统；所述激光器发出的激光依次经该准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃后由该第一分光镜反射至该校准平面镜；所述校准平面镜的反射光再透射所述第一分光镜，透射所述第一分光镜的光中，一部分透射所述第二分光镜后到达所述波前传感器，另一部分经所述第二分光镜反射后再依次经所述聚光镜、光阑后到达所述光电倍增管；
其中，该系统对显微物镜进行测量时，取下所述校准平面镜，将待测的显微物镜和盖玻片装入系统；所述激光器发出的激光依次经该准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃后由该第一分光镜反射，经过所述显微物镜后到达所述盖玻片的下表面；所述盖玻片的反射光经所述显微物镜后再透射所述第一分光镜，透射所述第一分光镜的光中，一部分透射所述第二分光镜后到达所述波前传感器，另一部分经所述第二分光镜反射后再依次经所述聚光镜、光阑后到达所述光电倍增管。
优选的是，其中，采用旋转毛玻璃消除相干性。
优选的是，其中，所述波前传感器采用哈特曼传感器。
一种大数值孔径显微物镜波像差测量方法，其采用如前所述的大数值孔径显微物镜波像差测试系统进行显微物镜的波像差测量。
优选的是，该方法包括以下步骤：
1)测量前，先不装显微物镜和所述盖玻片，将校准平面镜装入系统，且保证校准平面镜与入射光束垂直，测量此时系统的波像差W1；
2)取走校准平面镜，将盖玻片和待测的显微物镜装至系统中，系统中其他组件保持不变，且保证盖玻片与显微物镜齐焦面平行；
3)粗调焦：调节盖玻片与物镜之间的距离，通过波前传感器接受的光束直径大小的变化判断焦点位置；
4)精密调焦：粗调焦确定焦平面大概位置后，利用光电倍增管接受的能量变化进行精密调焦，再调节盖玻片与物镜之间的距离，能量最大的位置为焦点位置；
5)利用波前传感器测量此时系统的波像差W2，W2减去W1再除以2即为显微物镜的波像差。
优选的是，步骤1)中，将校准平面镜装入系统，还包括步骤1-2)：校正系统光路，保证激光器、准直扩束系统、第一分光镜、第二分光镜、显微物镜、校准平面镜、聚光镜、光阑、光电倍增管及波前传感器共光轴。
优选的是，所述步骤1-2)中，校正系统光路时保证激光器发出的光经准直扩束系统准直和扩束、中性滤光片虑光、旋转毛玻璃去相干后的平行光束相对于显微物镜齐焦面垂直入射，且保证校准平面镜与显微物镜齐焦面平行；且保证盖玻片与显微物镜齐焦面平行；且保证光阑处于聚光镜的后焦面中心。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种非相干式测量显微物镜波像差的方法，本发明的方法采用哈特曼测量方式，可适用于任意大数值孔径(浸油/非浸油)显微物镜波像差测量；本发明采用反射式光路，利用入射平行光束口径大于显微物镜出瞳，能保证任意大数值孔径显微物镜波像差测量；本发明采用非相干测量模式，可减少杂散条纹的影响，通过精确对焦功能，确保测量波像差无离焦因素影响，同时利用盖玻片自身反射，测量的波像差与显微物镜设计及真实使用状态一致，更能实现显微物镜的精准测量。本发明的系统结构简单，操作使用方便，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的大数值孔径显微物镜波像差测量系统测量状态的结构示意图；
图2为本发明的大数值孔径显微物镜波像差测量系统装入校准平面镜时的结构示意图。
附图标记说明：
1—激光器；2—准直扩束系统；3—中性滤光片；4—旋转毛玻璃；5—第一分光镜；6—第二分光镜；7—波前传感器；8—聚光镜；9—光阑；10—光电倍增管；11—校准平面镜；12—盖玻片；13—显微物镜。
具体实施方式
下面结合实施例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”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-2所示，本实施例的一种大数值孔径显微物镜13波像差测量系统，包括激光器1、准直扩束系统2、中性滤光片3、旋转毛玻璃4、第一分光镜5、第二分光镜6、波前传感器7、聚光镜8、光阑9、光电倍增管10、校准平面镜11及下表面镀有全反射膜的盖玻片12。
其中，该系统对显微物镜13进行测量前，先不装显微物镜13和盖玻片12，将校准平面镜11装入系统。此时系统走向光路为：激光器1发出的激光依次经该准直扩束系统2、中性滤光片3、旋转毛玻璃4后由该第一分光镜5反射至该校准平面镜11；校准平面镜11的反射光再透射第一分光镜5，透射第一分光镜5的光中，一部分透射第二分光镜6后到达波前传感器7，另一部分经第二分光镜6反射后再依次经聚光镜8、光阑9后到达光电倍增管10；
其中，该系统对显微物镜13进行测量时，取下校准平面镜11，将待测的显微物镜13和盖玻片12装入系统。此时系统走向光路为：激光器1发出的激光依次经该准直扩束系统2、中性滤光片3、旋转毛玻璃4后由该第一分光镜5反射，经过显微物镜13后到达盖玻片12的下表面；盖玻片12下表面的全反射膜反射的反射光经显微物镜13后再透射第一分光镜5，透射第一分光镜5的光中，一部分透射第二分光镜6后到达波前传感器7，另一部分经第二分光镜6反射后再依次经聚光镜8、光阑9后到达光电倍增管10。
在一种实施例中，激光器1采用半导体激光器1。
在一种实施例中，波前传感器7采用哈特曼传感器。
本发明的大数值孔径显微物镜13波像差测量系统，其测量原理如图1，半导体激光器1(波长与显微物镜13中心波长一致)发出的激光镜准直扩束后变成一束略大于显微物镜13出瞳的平行光束，中性滤光片3用于减弱激光能量，由于激光的相干性非常好，为了消除激光的相干性，在扩束后的平行光束中加旋转毛玻璃4以消除相干，消相干后的平行光束经分光镜反射进入显微物镜13，经显微物镜13聚焦至盖玻片12的下表面上，利用光电倍增管10对显微物镜13精确定焦，盖玻片12下表面镀全发射膜，聚焦于盖玻片12下表面的光束经盖玻片12反射通过物镜变成一束平行光，利用哈特曼传感器分割该平行光束并测量各分割区域的斜率，利用积分算法将各区域的斜率积分即获得显微物镜13出瞳波像差。
本发明还提供一种大数值孔径显微物镜13波像差测量方法，其基于上述的大数值孔径显微物镜13波像差测试系统进行显微物镜13的波像差测量。
在一种实施例中，大数值孔径显微物镜13波像差测量方法包括以下步骤：
1)测量前，先不装显微物镜13和盖玻片12，将校准平面镜11装入系统，如图2，且保证校准平面镜11与入射光束垂直，测量此时系统的波像差W1；
其中，将校准平面镜11装入系统，还包括系统光路校正步骤，，保证激光器1、准直扩束系统2、第一分光镜5、第二分光镜6、显微物镜13、校准平面镜11、聚光镜8、光阑9、光电倍增管10及哈特曼传感器共光轴。校正系统光路时，共光轴核心保证点包括四点，1、保证激光器1发出的光经准直扩束系统2准直和扩束、中性滤光片3虑光、旋转毛玻璃4去相干后的平行光束相对于显微物镜13齐焦面垂直入射；2、保证校准平面镜11与显微物镜13齐焦面平行；3、保证盖玻片12与显微物镜13齐焦面平行；4、保证光阑9处于聚光镜8的后焦面中心。
2)然后取走校准平面镜11，将盖玻片12和待测的显微物镜13装至系统中，如图1，系统中其他组件相对系统光路校正后保持不变，且保证盖玻片12与显微物镜13齐焦面平行，并在物镜与盖玻片12中间浸油(不需要油的物镜则不添加)；
3)粗调焦：调节盖玻片12与物镜之间的距离，通过哈特曼传感器接受的光束直径大小的变化判断焦点位置；
4)精密调焦：粗调焦确定焦平面大概位置后，利用光电倍增管10接受的能量变化进行精密调焦，再调节盖玻片12与物镜之间的距离，能量最大的位置为焦点位置；
5)利用哈特曼传感器测量此时系统的波像差W2，W2减去W1再除以2即为显微物镜13的波像差。
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。

Claims (6)

1.一种大数值孔径显微物镜波像差测量系统，其特征在于，包括激光器、准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃、第一分光镜、第二分光镜、波前传感器、聚光镜、光阑、光电倍增管、校准平面镜及下表面镀有全反射膜的盖玻片；
其中，该系统对显微物镜进行测量前，先不装显微物镜和所述盖玻片，将所述校准平面镜装入系统；所述激光器发出的激光依次经该准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃后由该第一分光镜反射至该校准平面镜；所述校准平面镜的反射光再透射所述第一分光镜，透射所述第一分光镜的光中，一部分透射所述第二分光镜后到达所述波前传感器，另一部分经所述第二分光镜反射后再依次经所述聚光镜、光阑后到达所述光电倍增管；
其中，该系统对显微物镜进行测量时，取下所述校准平面镜，将待测的显微物镜和盖玻片装入系统；所述激光器发出的激光依次经该准直扩束系统、中性滤光片、旋转毛玻璃后由该第一分光镜反射，经过所述显微物镜后到达所述盖玻片的下表面；所述盖玻片的反射光经所述显微物镜后再透射所述第一分光镜，透射所述第一分光镜的光中，一部分透射所述第二分光镜后到达所述波前传感器，另一部分经所述第二分光镜反射后再依次经所述聚光镜、光阑后到达所述光电倍增管。
2.根据权利要求1所述的大数值孔径显微物镜波像差测量系统，其特征在于，其中，所述波前传感器采用哈特曼传感器。
3.一种大数值孔径显微物镜波像差测量方法，其特征在于，其采用如权利要求1-2中任意一项所述的大数值孔径显微物镜波像差测试系统进行显微物镜的波像差测量。
4.根据权利要求3所述的大数值孔径显微物镜波像差测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)测量前，先不装显微物镜和所述盖玻片，将校准平面镜装入系统，且保证校准平面镜与入射光束垂直，测量此时系统的波像差W1；
2)取走校准平面镜，将盖玻片和待测的显微物镜装至系统中，系统中其他组件保持不变，且保证盖玻片与显微物镜齐焦面平行；
3)粗调焦：调节盖玻片与物镜之间的距离，通过波前传感器接受的光束直径大小的变化判断焦点位置；
4)精密调焦：粗调焦确定焦平面大概位置后，利用光电倍增管接受的能量变化进行精密调焦，再调节盖玻片与物镜之间的距离，能量最大的位置为焦点位置；
5)利用波前传感器测量此时系统的波像差W2，W2减去W1再除以2即为显微物镜的波像差。
5.根据权利要求4所述的大数值孔径显微物镜波像差测量方法，其特征在于，步骤1)中，将校准平面镜装入系统，还包括步骤1-2)：校正系统光路，保证激光器、准直扩束系统、第一分光镜、第二分光镜、显微物镜、校准平面镜、聚光镜、光阑、光电倍增管及波前传感器共光轴。
6.根据权利要求5所述的大数值孔径显微物镜波像差测量方法，其特征在于，所述步骤1-2)中，校正系统光路时保证激光器发出的光经准直扩束系统准直和扩束、中性滤光片虑光、旋转毛玻璃去相干后的平行光束相对于显微物镜齐焦面垂直入射，且保证校准平面镜与显微物镜齐焦面平行；且保证盖玻片与显微物镜齐焦面平行；且保证光阑处于聚光镜的后焦面中心。
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