CN115598818B - 一种工业检测干式显微物镜 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种工业检测干式显微物镜，涉及光学技术领域，其技术方案要点是：包括沿光轴从物面到像面依次排列的折反镜组与透射镜组；所述折反镜组至少包括从物面到像面依次排列的第一透镜与第二透镜；所述透射镜组至少包括从物面到像面依次排列的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜；所述折反镜组的组合光焦度为φz1，所述透射镜组的组合光焦度为φz2，总的光焦度为φ，满足：0.55≤φz1/φ≤0.78；0.25≤φz2/φ≤0.5。本申请提供的一种工业检测干式显微物镜具有成像效果好、制造简单、成本低等益效果。

Description

一种工业检测干式显微物镜

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种工业检测干式显微物镜。

背景技术

实现高端制造的关键点是精密检测技术，在半导体与集成电路行业、3C行业、汽车行业、精密五金金属行业中，需要采用高性能显微成像物镜及光学设备实现生产过程中精密零部件的高精度成像与检测。例如半导体生产过程中的晶圆缺陷检测，需要宽谱段、大视场以及大数值孔径的显微物镜，实现从紫外覆盖到可见光的宽谱段、毫米级成像视场、亚微米级甚至更高精度的分辨率，以实现精密晶圆的品质管控，提高产品的良率性能。因此，如何实现宽谱段、大视场以及高分辨率显微成像物镜及光学设备是实现高端检测装备的关键所在；由于目前此类物镜研发制造成本极高，如何降低研制成本有利于实现推广与应用是此类显微物镜需要重点考量的因素。

目前典型的大视场、大数值孔径显微成像物镜主要包括透射式显微物镜与折反射式显微物镜，其中透射式显微物镜存在结构复杂、透镜数量多、尺寸较为庞大等缺陷，尤其在紫外谱段可选的玻璃种类少，校正色差难度与代价高。折反射式光路结构采用反射元件承担主要光焦度，有利于校正大视场引起的色差及二级光谱，因而较容易获得宽谱段、大视场以及大数值孔径的显微成像性能。如美国专利US8675276公开的宽谱段折反射成像系统，成像视场达到0.15mm，中国专利CN108873289A、CN111175956A同样采用折反射式光路结构，实现了2mm以上的成像视场，但由于采用了熔石英玻璃材料或者引入了多个非球面校正像差，造成显微物镜材料成本、制造成本大幅增加，难以实现低成本制造与推广应用。上述专利的光学系统引入了制造与装配难度较高的球壳状弯月形折反透镜，导致显微物镜的开发成本进一步增加，制造良率也会受到影响。

此外，上述专利的显微物镜需要采用浸液工作方式，即被检样品与物镜之间需要填充水或生物浸液，无法满足工业检测要求显微物镜物方工作在空气的基本要求。以上两个浸液显微物镜，在有水或生物浸液介质的时候，数值孔径可以达到1，换算到空气中的数值孔径仅为0.75，对应的分辨率难以满足高端显微检测需求。

中国专利CN103837974B公开的显微物镜工作在空气中，同样采用了折反射光路结构获得了较好的像质校正效果，数值孔径可以达到了0.93，实现了高分辨率成像，但工作波长单一、成像视场仅为0.1mm，无法实现高通量的快速显微成像检测。

综上，现有的显微物镜及光学设备难以满足工业检测领域的宽谱段、大视野以及高分辨率检测需求。针对这些问题，如何在显微物镜与被检样品非接触条件下实现宽谱段、大视场以及大数值孔径的显微物镜及光学设备的开发，以及能否采用低成本的玻璃材料、避免或减少复杂弯月形球壳透镜或非球面透镜的使用，以获得高性能工业检测显微物镜及光学设备是本领域的重点研究方向。

发明内容

本申请的目的在于提供一种工业检测干式显微物镜，用于克服上述现有技术中存在的至少一个缺陷。

第一方面，本申请提供了一种工业检测干式显微物镜，技术方案如下：

包括沿光轴从物面到像面依次排列的折反镜组与透射镜组；

所述折反镜组至少包括从物面到像面依次排列的第一透镜与第二透镜，所述第一透镜与所述第二透镜为折反透镜；

所述透射镜组至少包括从物面到像面依次排列的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜以及第十二透镜；

所述折反镜组的组合光焦度为φz1，所述透射镜组的组合光焦度为φz2，总的光焦度为φ，满足：

0.55≤φz1/φ≤0.78；

0.25≤φz2/φ≤0.5。

通过采用折反式的结构可以得到大视场、大数值孔径的成像，通过对折反镜组和透射镜组的合理配置，校正了毫米级成像视场、数值孔径接近于1的光学系统的色差、球差、慧差以及像散等单色像差，使成像质量达到衍射极限，具有成像效果好、制造简单、成本低等有益效果。

进一步地，在本申请中，所述折反镜组的组合光焦度φz1与所述总的光焦度φ满足：

0.58≤φz1/φ≤0.78；

所述透射镜组的组合光焦度φz2与所述总的光焦度φ满足：

0.25≤φz2/φ≤0.45。

在满足上述关系式的时候，有利于实现大数值孔径大视场下的宽谱段球差、色差等像差控制，在此光焦度分配下进行各镜组的透镜设计与像差校正是合理的，容易获得小像差、尺寸紧凑的设计结果。

进一步地，在本申请中，所述第三透镜的光焦度为正，设为φL3；

所述第四透镜的光焦度为正、所述第五透镜的光焦度为正、所述第六透镜的光焦度为正、所述第七透镜的光焦度为正、所述第八透镜的光焦度为负、所述第九透镜的光焦度为正，所述第四透镜至所述第九透镜的组合光焦度设为φL4t9；

所述第十透镜的光焦度为负、所述第十一透镜的光焦度为正、所述第十二透镜的光焦度为正，所述第十透镜至所述第十二透镜的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.8≤φL3/φz2≤1.2；

1.65≤φL4t9/φz2≤2.05；

0.01≤φL10t12/φz2≤0.05。

将透射镜组划分三组，并控制各组透镜的光焦度符合上述关系式限定的范围，可以获得较好的像差平衡与控制效果。其中，第一组透镜主要是实现降低中心遮拦，校正场曲以及畸变，其光焦度与透射镜组整体光焦度接近即可；第二组透镜承担主要光焦度，起到了校正由折反镜组的大部分剩余像差作用，故其光焦度较大；第三组透镜既能够校正残余小量像差，又通过控制其光焦度较小，降低制造与装配难度。

进一步地，在本申请中，所述第一透镜靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/ DL2≤0.25；

所述第二透镜靠近像面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/ DL3≤0.25。

进一步地，在本申请中，还包括有光阑，所述光阑在像空间形成的像与所述第十二透镜靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

4.5≤Ls×φ≤6.5。

进一步地，在本申请中，所述折反镜组还包括第十三透镜，所述折反镜组的组合光焦度φz1与所述总的光焦度φ满足：

0.55≤φz1/φ≤0.75；

所述透射镜组的组合光焦度φz2与所述总的光焦度φ满足：

0.30≤φz2/φ≤0.5。

进一步地，在本申请中，所述第三透镜的光焦度为正，设为φL3；

所述第四透镜的光焦度为正、所述第五透镜的光焦度为正、所述第六透镜的光焦度为正、所述第七透镜的光焦度为正、所述第八透镜的光焦度为正、所述第九透镜的光焦度为正，所述第四透镜至所述第九透镜的组合光焦度设为φL4t9；

所述第十透镜的光焦度为正、所述第十一透镜的光焦度为负、所述第十二透镜的光焦度为正，所述第十透镜至所述第十二透镜的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.65≤φL3/φz2≤0.85；

1.85≤φL4t9/φz2≤2.15；

0.12≤φL10t12/φz2≤0.25。

进一步地，在本申请中，所述第一透镜靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/ DL2≤0.25。

进一步地，在本申请中，所述第二透镜靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/ DL3≤0.25。

进一步地，在本申请中，还包括有光阑，所述光阑在像空间形成的像与所述第十二透镜靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

5.6≤Ls×φ≤7.6。

由上可知，本申请提供的一种工业检测干式显微物镜，通过采用折反式的结构可以得到大视场、大数值孔径的成像，通过对折反镜组和透射镜组的合理配置，校正了毫米级成像视场、数值孔径接近于1的光学系统的色差、球差、慧差以及像散等单色像差，使成像质量达到衍射极限，具有成像效果好、制造简单、成本低等有益效果。

附图说明

图1为本申请提供的其中一种工业检测干式显微物镜结构示意图。

图2为图1的工业检测干式显微物镜的全视场波像差分布。

图3为本申请提供的另外一种工业检测干式显微物镜结构示意图。

图4为图3的工业检测干式显微物镜的全视场波像差分布。

图中：L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、第四透镜；L5、第五透镜；L6、第六透镜；L7、第七透镜；L8、第八透镜；L9、第九透镜；L10、第十透镜；L11、第十一透镜；L12、第十二透镜；L13、第十三透镜。

具体实施方式

下面将结合本申请中附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在现有的工业检测中，尤其是对半导体晶圆的高精密检测，需要使用高通量显微成像物镜，其设计门槛十分高，现有的高通量显微成像物镜大多是采用浸液的方式，在折反射二次成像的光路结构上进行改进，能够实现数值孔径达到1、视场2mm以上的大视场高分辨率成像，但对于工业检测而言，被检测的样品不一定能够进行浸液检测，或者采用浸液检测会导致整个检测生产装置的复杂度急剧上升，难以在工程上运用。

对此，本申请提出的是一种干式显微成像的方案，干式显微成像只需要被检测样品在空气中即可完成高精密检测。在现有的浸液显微成像中，其提高分辨率的途径是在被检测样品所在的空间中加入了折射率大于1的水或油等浸液物质，根据NA=n*sin（θ），其中，θ为物方收集光的半角、NA为数值孔径、n为折射率；当NA为1，n取水的折射率1.334时，其收集光的半角θ为48.58°。对于采用干式显微成像的方案而言，n基本上只能取空气的折射率1，此时原浸液显微物镜为1的数值孔径就变成了只有0.75，因此，为了在空气中提高显微物镜的成像分辨率，需要提高物方收集光的角度。在本申请提出的方案中，在保持数值孔径不低于0.95的情况下，需要将物方收集光角度提升至71.8°，远远超过了现有的浸液显微镜的物方收集光角度，同时，这也就意味着光学系统的像差，特别是与孔径角相关的像差，例如球差、慧差矫正的难度大幅增加。

为了解决非浸液工作方式的宽谱段、大视场与大数值孔径显微成像下的色差校正难题，本申请主要采用二次成像结构的折反射式光学方案，通过折反镜组实现中间像的倍率转换，在转换过程中通过反射面来承担主要光焦度，因为反射面几乎不产生色差，因此可以将大部分的轴向色差、垂轴色差以及二级光谱进行消除，从而降低了整个光学系统色差的校正难题，具体的，请参照图1以及图3，图1和图3为本申请提出的工业检测干式显微物镜，其技术方案具体包括：

沿光轴从物面到像面依次排列的折反镜组与透射镜组；

折反镜组至少包括从物面到像面依次排列的第一透镜L1与第二透镜L2；

其中，第一透镜L1与第二透镜L2为折反透镜；

其中，折反镜组的透镜数量包括但不限于两片，还可以是三片或多片；

透射镜组至少包括从物面到像面依次排列的第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11以及第十二透镜L12；

折反镜组的组合光焦度为φz1，透射镜组的组合光焦度为φz2，总的光焦度为φ，满足：

0.55≤φz1/φ≤0.78；

0.25≤φz2/φ≤0.5。

通过采用折反式的结构可以得到大视场、大数值孔径的成像，通过对折反镜组和透射镜组的合理配置，校正了毫米级成像视场、数值孔径接近于1的光学系统的色差、球差、慧差以及像散等单色像差，使成像质量达到衍射极限，具有成像效果好、制造简单、成本低等有益效果。

并且，在满足上述关系式的时候，有利于实现大数值孔径大视场下的宽谱段球差、色差等像差控制，在此光焦度分配下进行各镜组的透镜设计与像差校正是合理的，容易获得小像差、尺寸紧凑的设计结果。

进一步地，在本申请中，折反镜组的组合光焦度φz1与总的光焦度φ满足：

0.58≤φz1/φ≤0.78；

透射镜组的组合光焦度φz2与总的光焦度φ满足：

0.25≤φz2/φ≤0.45。

为了有较好的成像质量，达到或接近衍射极限的成像质量，其像散、场曲像差的校正也是难点，在现有的一些干式高分辨率显微镜中，只对数值孔径进行提升，在数值孔径达到0.93的时候，视场仅为0.1mm，在本申请中，不仅需要保持大数值孔径，还要保证大视场，由此引起的孔径像差会变得十分明显，其中，采用折反镜组产生的大量单色像差也需要进行校正。

对此，本申请的主要解决思路为，将透射镜组分成三组，第一组为中间像面之后、靠近折反镜组的透镜，第二组为中间像面前承担透射镜组主要光焦度的镜组，第三组为第二组与像面之间的镜组。

其中，第一组透镜主要用于实现将中间像的光线压低高度后以减小光线的通过口径，从而降低整个光学系统的中心遮拦，并且其靠近像面，可以对校正场曲以及畸变起到作用。

其中，第二组透镜用来承担透射镜组的主要光焦度，利用正负光焦度分离、产生小空气隙的方式来产生高级球差来平衡折反镜组产生的像差，还可以补偿折反镜组剩余的小量色差，适当增加透镜的厚度，以实现像散、场曲的校正。

其中，第三组透镜主要是用来平衡前面透镜剩余的小量单色像差，第三组透镜的分配的光焦度较小，因此色差量极小。

基于上述思路，得到的其中一种具体的透射镜组为：

第三透镜L3的光焦度为正，设为φL3；

第四透镜L4的光焦度为正、第五透镜L5的光焦度为正、第六透镜L6的光焦度为正、第七透镜L7的光焦度为正、第八透镜L8的光焦度为负、第九透镜L9的光焦度为正，第四透镜L4至第九透镜L9的组合光焦度设为φL4t9；

第十透镜L10的光焦度为负、第十一透镜L11的光焦度为正、第十二透镜L12的光焦度为正，第十透镜L10至第十二透镜L12的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.8≤φL3/φz2≤1.2；

1.65≤φL4t9/φz2≤2.05；

0.01≤φL10t12/φz2≤0.05。

其中，第三透镜L3则为上述的第一组透镜，第四透镜L4至第九透镜L9则为上述的第二组透镜，第十透镜L10至第十二透镜L12则为上述的第三组透镜。

将透射镜组划分为第一组透镜、第二组透镜以及第三组透镜，并控制各组透镜的光焦度符合上述关系式限定的范围，可以获得较好的像差平衡与控制效果。其中，第一组透镜主要是实现降低中心遮拦，校正场曲以及畸变，其光焦度与透射镜组整体光焦度接近即可；第二组透镜承担主要光焦度，起到了校正由折反镜组的大部分剩余像差作用，故其光焦度较大；第三组透镜既能够校正残余小量像差，又通过控制其光焦度较小，降低制造与装配难度。

通过上述设计，可以获得较好的像差校正效果，实现大视场、大数值孔径以及宽谱的显微成像，尤其在紫外谱段实现了衍射极限的成像质量。

此外，第一透镜L1为平面折反透镜，第一透镜L1靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/ DL2≤0.25；

第二透镜L2为折反透镜，第二透镜L2靠近像面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/ DL3≤0.25。

在第一透镜L1以及第二透镜L2满足上述关系式的时候，有利于降低光学系统的遮拦比，线遮拦比控制在1/4以内，面积遮拦比不超过6.25%，从而确保绝大部分孔径内的光能量能够不被遮拦，通过光学系统达到像空间，有利于提升成像质量与能量利用率。

此外，还包括有光阑，光阑在像空间形成的像与第十二透镜L12靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

4.5≤Ls×φ≤6.5。

具体的，Ls指的是以第十二透镜L12靠近像面的一侧与光轴的交点作为基准零位置，光阑在像空间形成的像与第十二透镜L12靠近像面的一侧的距离，该值靠近物面一侧取为正，反之为负。

在满足上述关系式的时候，一方面有利于整个光学系统的像差平衡，另一方面可以控制光阑在像空间的像距离第十二透镜L12较近，有利于该物镜与后续光学系统的光阑衔接。

此外，还可以在第一透镜L1靠近像面的一侧设置光阑，并且可以在第六透镜L6与第七透镜L7之间设置用于消杂光的光阑。

此外，在像差校正方案确定的基础上，考虑到制造可行性与产业推广，在具体设计上，充分考虑了降低材料与制造成本的需求。首先避免采用高成本的熔石英或氟化钙材料，将此类材料替换成低成本的玻璃材料，基于这种常规材料进行像差的精细校正与优化，其好处是大幅降低了显微物镜的开发成本。

此外，折反镜组中具有光焦度的折反透镜相比于透射透镜，其加工难度大、装配精度要求高，因此，本设计对折反镜组进行改进设计，将靠近物面一侧的常规平凸折反透镜设计为平面折反透镜，其好处是加工难度大幅下降，成本得到控制，且装配时仅需管控倾斜公差，降低了装配难度。

具体的，按照本申请上述思路，参照图1，配置出来的其中一种光学系统的具体参数如下所示：

面序号	名称	曲率半径mm	间隔mm	材料	通光孔径mm
						1	物面	∞	1.1135		Φ1.0
2	第一透镜L1	∞	2.5036	HK9L	Φ36.2
						3		∞	16.1248		Φ38.1
4	第二透镜L2	-21.6246	5.0734	HK9L	Φ40.6
						5		-30.3608	0.1000		Φ51.2
6	第三透镜L3	11.5459	4.7564	HK9L	Φ10.9
						7		86.9181	5.9190		Φ7.5
8	第四透镜L4	34.3742	2.4000	HK9L	Φ4.2
						9		-78.9073	1.4204		Φ6.2
10	第五透镜L5	40.5742	16.0000	HK9L	Φ8.5
						11		-16.7418	0.1000		Φ18.1
12	第六透镜L6	∞	10.8776	HK9L	Φ19.5
						13		-18.9596	0.7005		Φ21.6
14	第七透镜L7	36.7613	5.8486	HK9L	Φ20.7
						15		-22.4606	1.1296		Φ20.1
16	第八透镜L8	-19.1709	16.0000	HK9L	Φ19.4
						17		21.7079	1.7571		Φ17.1
18	第九透镜L9	80.5156	9.0000	HK9L	Φ17.2
						19		-69.4786	8.8115		Φ17.9
20	第十透镜L10	-13.3783	2.000	HK9L	Φ17.9
						21		-27.7772	0.1008		Φ20.4
22	第十一透镜L11	376.2449	3.8496	HK9L	Φ21.6
						23		-37.0417	0.1000		Φ22.3
24	第十二透镜L12	-313.8088	16.0000	HK9L	Φ22.4
						25		-97.2035	/		Φ24.9
26	像面	∞

其中，靠近物面一侧为凹面，其曲率半径视为负，为凸面，其曲率半径视为正，靠近像面一侧为凹面，其曲率半径视为正，为凸面，其曲率半径视为负。

在如上的光学系统中，从物面发出的光，依次经过空气，第一透镜L1的透射区域，然后在第二透镜L2被反射再次到达第一透镜L1的反射面，从第一透镜L1的反射面反射后穿过第二透镜L2的通光区域到达透射镜组；

在透射镜组中，光线经过弯月形正光焦度的第三透镜L3、双凸正光焦度的第四透镜L4、双凸正光焦度的第五透镜L5、平凸正光焦度的第六透镜L6、双凸正光焦度的第七透镜L7、双凹负光焦度的第八透镜L8、双凸正光焦度的第九透镜L9、弯月形负光焦度的第十透镜L10、双凸正光焦度的第十一透镜L11以及弯月形正光焦度的第十二透镜L12以后，以平行光的方式出射至像面。

由上述参数组成的光学系统，其能够达到的技术指标如下：

物方成像方式：非浸液；

物方数值孔径NA：≥0.95；

物方观测视野：1.0mm；

工作波段：360nm~550nm；

光学长度（物面到第十二透镜L12）：131.7mm。

通过上述参数的设置，该光学系统具备宽谱段、大视场、大数值孔径成像能力，数值孔径可以优于0.95，视场不低于1.0mm；成像视场谱段覆盖360nm~550nm，覆盖紫外谱段的高分辨率成像，可以满足工业检测，尤其是半导体晶圆检测对高通量显微成像的需求；在空气中即可实现对被检样品的非接触高精度测量，避免了浸液成像带来的系统复杂性和高额维护成本；选用具有成本优势的常规玻璃校正了所有像差，大幅降低了显微物镜的制造成本；将平凸折反透镜改进为平面透镜，避免了平凸折反透镜带来的制造与装配难度问题，提高了显微物镜的制造可行性，降低了显微物镜成本，有利于推广应用；采用全球面透镜实现光学系统设计，避免了采用非球面校正光学系统像差，降低了光学透镜的加工与检测成本；光学系统的总长度控制在132mm以内，尺寸较短，避免了传统透射式显微物镜占用大的问题。

图2表征了本实例中光学系统波像差在整个观测视野内的分布情况，光学系统在450nm工作波长时的波像差分布情况，均方根波像差最小为0.007λ，最大为0.040λ，平均值为0.014λ，达到了衍射极限像质，成像质量优异。

从像差校正结果来看，本设计较好的校正了轴向色差、垂轴色差等跟波长相关的像差，同时也校正了球差、彗差、像散、场曲以及畸变等单色像差，获得了衍射极限的成像质量，此外，本发明光学系统尺寸结构紧凑，应用价值较高。

在另外一些实施例中，参照图3，折反镜组还包括第十三透镜L13，折反镜组的组合光焦度φz1与总的光焦度φ满足：

0.55≤φz1/φ≤0.75；

透射镜组的组合光焦度φz2与总的光焦度φ满足：

0.30≤φz2/φ≤0.5。

具体的，第三透镜L3的光焦度为正，设为φL3；

第四透镜L4的光焦度为正、第五透镜L5的光焦度为正、第六透镜L6的光焦度为正、第七透镜L7的光焦度为正、第八透镜L8的光焦度为正、第九透镜L9的光焦度为正，第四透镜L4至第九透镜L9的组合光焦度设为φL4t9；

第十透镜L10的光焦度为正、第十一透镜L11的光焦度为负、第十二透镜L12的光焦度为正，第十透镜L10至第十二透镜L12的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.65≤φL3/φz2≤0.85；

1.85≤φL4t9/φz2≤2.15；

0.12≤φL10t12/φz2≤0.25。

将透射镜组划分为第一组透镜、第二组透镜以及第三组透镜，并控制各组透镜的光焦度符合上述关系式限定的范围，可以获得较好的像差平衡与控制效果。其中，第一组透镜主要是实现降低中心遮拦，校正场曲以及畸变，其光焦度与透射镜组整体光焦度接近即可；第二组透镜承担主要光焦度，起到了校正由折反镜组的大部分剩余像差作用，故其光焦度较大；第三组透镜既能够校正残余小量像差，又通过控制其光焦度较小，降低制造与装配难度。

具体的，第一透镜L1为折反透镜，第一透镜L1靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/ DL2≤0.25。

具体的，第二透镜L2为折反透镜，第二透镜L2也可以是反射镜，第二透镜L2靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/ DL3≤0.25。

通过控制第一透镜L1以及第二透镜L2的通光区域符合上述关系式限定的范围，有利于降低光学系统的遮拦比，线遮拦比控制在1/4以内，面积遮拦比不超过6.25%，从而确保绝大部分孔径内的光能量能够不被遮拦，通过光学系统达到像空间，有利于提升成像质量与能量利用率。

具体的，还包括有光阑，光阑在像空间形成的像与第十二透镜L12靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

5.6≤Ls×φ≤7.6。

在满足上述关系式的时候，一方面有利于整个光学系统的像差平衡，另一方面可以控制光阑在像空间的像距离第十二透镜L12较近，有利于该物镜与后续光学系统的光阑衔接。

此外，还可以在第一透镜L1靠近物面的一侧设置光阑，并且可以在第七透镜L7与第八透镜L8之间设置用于消杂光的光阑。

具体的，按照本申请上述思路，参照图3，配置出来的另一种光学系统的具体参数如下所示：

面序号	名称	曲率半径mm	间隔mm	材料	通光孔径mm
						1	物面	∞	0.5025		Φ1.0
2	第一透镜L1	∞	2.5804	HK9L	Φ33.6
						3		-223.4275	5.4288		Φ35.2
4	第十三透镜L13	-43.2658	11.0486	HK9L	Φ37.2
						5		-63.9988	8.1677		Φ48.6
6	第二透镜L2	-33.4894	0.3000	HK9L	Φ51.2
						7	第三透镜L3	10.7710	6.6579	HK9L	Φ10.1
8		19.4712	2.8365		Φ4.5
						9	第四透镜L4	38.7484	10.1519	HK9L	Φ1.1
10		-103.6039	0.1000		Φ10.9
						11	第五透镜L5	22.0584	3.2327	HK9L	Φ12.8
12		-138.1726	0.1000		Φ13.8
						13	第六透镜L6	24.9905	13.3707	HK9L	Φ14.8
14		-79.5938	6.1464		Φ17.9
						15	第七透镜L7	27.6115	5.6222	HK9L	Φ20.5
16		-32.3633	0.1000		Φ20.4
						17	第八透镜L8	41.5987	4.7099	HK9L	Φ19.2
18		-31.3047	1.3212		Φ18.2
						19	第九透镜L9	-17.2004	8.7835	HK9L	Φ18.0
20		20.5617	21.1005		Φ17.1
						21	第十透镜L10	77.4757	3.3406	HK9L	Φ19.8
22		-68.4589	3.0689		Φ19.8
						23	第十一透镜L11	-15.3441	6.7723	HK9L	Φ19.8
24		-46.4824	0.1000		Φ22.1
						25	第十二透镜L12	66.1660	9.4512	HK9L	Φ25.4
26		-106.4181	/		Φ26.5
						27	像面	∞

其中，靠近物面一侧为凹面，其曲率半径视为负，为凸面，其曲率半径视为正，靠近像面一侧为凹面，其曲率半径视为正，为凸面，其曲率半径视为负。

在如上的光学系统中，从物面发出的光，依次经过空气，第一透镜L1的透射区域、第十三透镜L13，然后在第二透镜L2被反射穿过第十三透镜L13再次到达第一透镜L1，从第一透镜L1的反射面反射后穿过第十三透镜L13、第二透镜L2的通光区域到达透射镜组；

在透射镜组中，光线经过弯月形正光焦度的第三透镜L3、双凸正光焦度的第四透镜L4、双凸正光焦度的第五透镜L5、双凸正光焦度的第六透镜L6、双凸正光焦度的第七透镜L7、双凸正光焦度的第八透镜L8、双凹正光焦度的第九透镜L9、双凸正光焦度的第十透镜L10、弯月形负光焦度的第十一透镜L11以及双凸正光焦度的第十二透镜L12以后，以平行光的方式出射至像面。

由上述参数组成的光学系统，其能够达到的技术指标如下：

物方成像方式：非浸液；

物方数值孔径NA：≥0.95；

物方观测视野：1.0mm；

工作波段：360nm~550nm；

光学长度（物面到第十二透镜L12）：135mm。

图4表征了本实例中光学系统波像差在整个观测视野内的分布情况，显微物镜光学系统在450nm工作波长时的波像差分布情况，均方根波像差最小为0.016λ，最大为0.055λ，平均值为0.022λ，达到了衍射极限像质，成像质量优异。

从像差校正结果来看，本设计较好的校正了轴向色差、垂轴色差等跟波长相关的像差，同时也校正了球差、彗差、像散、场曲以及畸变等单色像差，获得了衍射极限的成像质量，此外，本发明光学系统尺寸结构紧凑，应用价值较高。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，由沿光轴从物面到像面依次排列的折反镜组与透射镜组组成；

所述折反镜组至少包括从物面到像面依次排列的第一透镜(L1)与第二透镜(L2)，所述第一透镜(L1)与所述第二透镜(L2)为折反透镜；

所述透射镜组由从物面到像面依次排列的第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第九透镜(L9)、第十透镜(L10)、第十一透镜(L11)以及第十二透镜(L12)组成；

所述折反镜组的组合光焦度为φz1，所述透射镜组的组合光焦度为φz2，总的光焦度为φ，满足：

0.55≤φz1/φ≤0.78；

0.25≤φz2/φ≤0.5。

2.根据权利要求1所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述折反镜组的组合光焦度φz1与所述总的光焦度φ满足：

0.58≤φz1/φ≤0.78；

所述透射镜组的组合光焦度φz2与所述总的光焦度φ满足：

0.25≤φz2/φ≤0.45。

3.根据权利要求2所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述第三透镜(L3)的光焦度为正，设为φL3；

所述第四透镜(L4)的光焦度为正、所述第五透镜(L5)的光焦度为正、所述第六透镜(L6)的光焦度为正、所述第七透镜(L7)的光焦度为正、所述第八透镜(L8)的光焦度为负、所述第九透镜(L9)的光焦度为正，所述第四透镜(L4)至所述第九透镜(L9)的组合光焦度设为φL4t9；

所述第十透镜(L10)的光焦度为负、所述第十一透镜(L11)的光焦度为正、所述第十二透镜(L12)的光焦度为正，所述第十透镜(L10)至所述第十二透镜(L12)的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.8≤φL3/φz2≤1.2；

1.65≤φL4t9/φz2≤2.05；

0.01≤φL10t12/φz2≤0.05。

4.根据权利要求2所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述第一透镜(L1)靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/DL2≤0.25；

所述第二透镜(L2)靠近像面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/DL3≤0.25。

5.根据权利要求2所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，还包括有光阑，所述光阑在像空间形成的像与所述第十二透镜(L12)靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

4.5≤Ls×φ≤6.5。

6.根据权利要求1所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述折反镜组还包括第十三透镜(L13)，所述折反镜组的组合光焦度φz1与所述总的光焦度φ满足：

0.55≤φz1/φ≤0.75；

所述透射镜组的组合光焦度φz2与所述总的光焦度φ满足：

0.30≤φz2/φ≤0.5。

7.根据权利要求6所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述第三透镜(L3)的光焦度为正，设为φL3；

所述第四透镜(L4)的光焦度为正、所述第五透镜(L5)的光焦度为正、所述第六透镜(L6)的光焦度为正、所述第七透镜(L7)的光焦度为正、所述第八透镜(L8)的光焦度为正、所述第九透镜(L9)的光焦度为正，所述第四透镜(L4)至所述第九透镜(L9)的组合光焦度设为φL4t9；

所述第十透镜(L10)的光焦度为正、所述第十一透镜(L11)的光焦度为负、所述第十二透镜(L12)的光焦度为正，所述第十透镜(L10)至所述第十二透镜(L12)的组合光焦度设为φL10t12；

满足：

0.65≤φL3/φz2≤0.85；

1.85≤φL4t9/φz2≤2.15；

0.12≤φL10t12/φz2≤0.25。

8.根据权利要求6所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述第一透镜(L1)靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有透射区域，设反射口径为DL2、透射区域口径为DsL2，满足：

0≤DsL2/DL2≤0.25。

9.根据权利要求6所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，所述第二透镜(L2)靠近物面的一侧为反射面，且在中心设有通光区域，设反射口径为DL3、通光区域口径为DsL3，满足：

0≤DsL3/DL3≤0.25。

10.根据权利要求6所述的一种工业检测干式显微物镜，其特征在于，还包括有光阑，所述光阑在像空间形成的像与所述第十二透镜(L12)靠近像面一侧的距离设为Ls，满足：

5.6≤Ls×φ≤7.6。

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