CN117608068B - 一种10倍大na大视场平场复消色差显微物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜，包括从物镜物方依次设置的具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有正折射光焦度的第二透镜组G2和具有负折射光焦度的第三透镜组G3，物镜光阑位于第一透镜组G1所在一侧，本发明的显微物镜通过三个透镜组配合，使形成的物镜系统具有更大的视场与更大的数值孔径，本发明的10倍显微镜物镜在保证齐焦距95mm的情况下，视场数、数值孔径和工作距离分别可以做到33、0.48以及10mm，并且具有良好的可加工性，满足半导体领域对观察分辨率、检测速度和大视场观测要求。

Description

一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜

技术领域

本发明涉及显微成像系统技术领域，具体涉及一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜。

背景技术

随着半导体领域对观察分辨率、检测速度和大视场观测要求的提高，对于数值孔径更高和视场更宽的显微物镜的需求也在逐步增加。因此，为了满足市场需求，高数值孔径、宽视场已经成为了显微物镜的发展趋势。而市面上一般的10倍显微物镜很难满足大视场和大数值孔径的需求。

发明内容

技术目的：针对上述现有10倍显微物镜存在的不足，本发明公开了一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜，包括从物镜物方依次设置的具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有正折射光焦度的第二透镜组G2和具有负折射光焦度的第三透镜组G3，物镜光阑位于第一透镜组G1所在一侧；6≥fG1/fobj≥4，2≥fG2/fobj≥1，-6≥fG3/fobj≥-10，其中fG1表示第一透镜组G1的焦距，fG2表示第二透镜组G2的焦距，fG3表示第三透镜组G3的焦距，fobj表示显微物镜焦距。

优选地，本发明的第一透镜组G1包括沿光路方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，所述第一透镜L1和第二透镜L2组成双胶合透镜，第三透镜L3为正光焦度透镜。

优选地，本发明的第一透镜L1的d光折射率和阿贝数分别是n1和v1，1.8≥n1≥1.7，60≥v1≥50；第二透镜L2的d光折射率和阿贝数分别是n2和v2，1.5≥n2≥1.4，96≥v2≥90；第三透镜L3的d光折射率和阿贝数分别是n3和v3，1.5≥n3≥1.4，96≥v3≥90。

优选地，本发明的第二透镜组G2包括沿光路方向设置的第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8，第四透镜L4和第五透镜L5组成双胶合透镜，第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8组成三胶合透镜，第七透镜L7为负光焦度透镜，第六透镜L6和第八透镜L8为正光焦度透镜。

优选地，本发明的第四透镜L4的d光折射率和阿贝数分别是n4和v4，1.9≥n4≥1.8，25≥v4≥20；第五透镜L5的d光折射率和阿贝数分别是n5和v5，1.5≥n5≥1.4，96≥v5≥90；第六透镜L6的d光折射率和阿贝数分别是n6和v6，1.5≥n6≥1.4，96≥v6≥90；第七透镜L7的d光折射率和阿贝数分别是n7和v7，1.7≥n7≥1.6，45≥v7≥40；第八透镜L8的d光折射率和阿贝数分别是n8和v8，1.55≥n8≥1.45，85≥v8≥80。

优选地，本发明的第三透镜组G3包括沿光路方向依次设置的四枚双胶合透镜和负光焦度透镜，四枚双胶合透镜和负光焦度透镜形成高斯结构，沿光路方向将透镜依次记为第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16和第十七透镜L17。

优选地，本发明的第九透镜L9的d光折射率和阿贝数分别是n9和v9，1.85≥n9≥1.8，26≥v9≥20；第十透镜L10的d光折射率和阿贝数分别是n10和v10，1.5≥n10≥1.4；96≥v10≥90；第十一透镜L11的d光折射率和阿贝数分别是n11和v11，1.5≥n11≥1.4，96≥v11≥90；第十二透镜L12的d光折射率和阿贝数分别是n12和v12，1.96≥n12≥1.9，20≥v12≥17；第十三透镜L13的d光折射率和阿贝数分别是n13和v13，1.95≥n13≥1.9，20≥v13≥17；第十四透镜L14的d光折射率和阿贝数分别是n14和v14，1.96≥n14≥1.9，20≥v14≥17；第十五透镜L15的d光折射率和阿贝数分别是n15和v15，1.55≥n15≥1.45，85≥v15≥80；第十六透镜L16的d光折射率和阿贝数分别是n16和v16，1.5≥n16≥1.4，96≥v16≥90；第十七透镜L17的d光折射率和阿贝数分别是n17和v17，1.85≥n17≥1.8，45≥v17≥40。

优选地，本发明的显微物镜d光折射率和阿贝数分别是nd和vd，1.43＜nd＜1.95，17.5＜vd＜95.2。

优选地，本发明的显微物镜的视场数最大为33，工作波段为400-700nm。

有益效果：本发明所提供的一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜具有如下有益效果：

1、本发明通过从物镜物方依次设置的第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3配合，使形成的物镜系统具有更大的视场与更大的数值孔径，本发明的10倍显微镜物镜在保证齐焦距95mm的情况下，视场数、数值孔径和工作距离分别可以做到33、0.48以及10mm，并且具有良好的可加工性。

2、本发明第一透镜组G1使用一枚正光焦度透镜和双胶合镜组组成，并通过对三个透镜的d光折射率和阿贝数的设置，有利于矫正慧差、像散和球差，同时有利于实现大数值孔径和宽视场的需求。

3、本发明的第二透镜组G2使用一组双胶合透镜以及一组三胶合透镜，可以有效校正物镜系统的色差，提高物镜的成像质量，同时有利于校正透镜组内部的球差、像散、慧差。

4、本发明的第三透镜组G3使用四枚双胶合透镜和负光焦度透镜组成并形成高斯结构，有利于降低像散、场区，并实现物镜具有较小的畸变，这极大保持了不同视场像面一致性的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为本发明的显微物镜结构示意图；

图2为本发明的显微物镜的场曲图；

图3为本发明的显微物镜的畸变图；

图4为本发明的显微物镜的传递函数曲线图；

图5为本发明的显微物镜波相差图。

实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示为本发明所公开的一种10倍大NA大视场平场复消色差显微物镜，包括从物镜物方依次设置的具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有正折射光焦度的第二透镜组G2和具有负折射光焦度的第三透镜组G3，物镜光阑位于第一透镜组G1所在一侧；6≥fG1/fobj≥4，2≥fG2/fobj≥1，-6≥fG3/fobj≥-10，其中fG1表示第一透镜组G1的焦距，fG2表示第二透镜组G2的焦距，fG3表示第三透镜组G3的焦距，fobj表示显微物镜焦距。

具体的，本发明的第一透镜组G1包括沿光路方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，所述第一透镜L1和第二透镜L2组成双胶合透镜，第三透镜L3为正光焦度透镜。

第一透镜L1的d光折射率和阿贝数分别是n1和v1，1.8≥n1≥1.7，60≥v1≥50；第二透镜L2的d光折射率和阿贝数分别是n2和v2，1.5≥n2≥1.4，96≥v2≥90；第三透镜L3的d光折射率和阿贝数分别是n3和v3，1.5≥n3≥1.4，96≥v3≥90；从而有利于于矫正慧差、像散和球差，同时有利于实现大数值孔径和宽视场的需求。

第二透镜组G2包括沿光路方向设置的第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8，第四透镜L4和第五透镜L5组成双胶合透镜，第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8组成三胶合透镜，第七透镜L7为负光焦度透镜，第六透镜L6和第八透镜L8为正光焦度透镜。

第四透镜L4的d光折射率和阿贝数分别是n4和v4，1.9≥n4≥1.8，25≥v4≥20；第五透镜L5的d光折射率和阿贝数分别是n5和v5，1.5≥n5≥1.4，96≥v5≥90；第六透镜L6的d光折射率和阿贝数分别是n6和v6，1.5≥n6≥1.4，96≥v6≥90；第七透镜L7的d光折射率和阿贝数分别是n7和v7，1.7≥n7≥1.6，45≥v7≥40；第八透镜L8的d光折射率和阿贝数分别是n8和v8，1.55≥n8≥1.45，85≥v8≥80，以便能够有效校正系统色差，提高物镜的成像质量。同时有利于校正透镜组内部的球差、像散、慧差。

本发明的第三透镜组G3包括沿光路方向依次设置的四枚双胶合透镜和负光焦度透镜，四枚双胶合透镜和负光焦度透镜形成高斯结构，沿光路方向将透镜依次记为第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16和第十七透镜L17，其中第九透镜L9和第十透镜L10、第十一透镜L11和第十二透镜L12、第十三透镜L13和第十四透镜L14、第十五透镜L15和第十六透镜L16，两两胶合，组成四枚双胶合透镜，第十七透镜L17为负光焦度透镜。

第九透镜L9的d光折射率和阿贝数分别是n9和v9，1.85≥n9≥1.8，26≥v9≥20；第十透镜L10的d光折射率和阿贝数分别是n10和v10，1.5≥n10≥1.4；96≥v10≥90；第十一透镜L11的d光折射率和阿贝数分别是n11和v11，1.5≥n11≥1.4，96≥v11≥90；第十二透镜L12的d光折射率和阿贝数分别是n12和v12，1.96≥n12≥1.9，20≥v12≥17；第十三透镜L13的d光折射率和阿贝数分别是n13和v13，1.95≥n13≥1.9，20≥v13≥17；第十四透镜L14的d光折射率和阿贝数分别是n14和v14，1.96≥n14≥1.9，20≥v14≥17；第十五透镜L15的d光折射率和阿贝数分别是n15和v15，1.55≥n15≥1.45，85≥v15≥80；第十六透镜L16的d光折射率和阿贝数分别是n16和v16，1.5≥n16≥1.4，96≥v16≥90；第十七透镜L17的d光折射率和阿贝数分别是n17和v17，1.85≥n17≥1.8，45≥v17≥40，可以降低像散、场区，并实现物镜具有较小的畸变。这极大保持了不同视场像面一致性的需求。

通过第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3的搭配，使得本发明的显微物镜系统拥有更大的视场以及更大的数值孔径，形成的显微物镜d光折射率和阿贝数分别是nd和vd，1.43＜nd＜1.95，17.5＜vd＜95.2，显微物镜的视场数最大为33，工作波段为400-700nm。

在本发明实施例中，显微物镜的光学参数如表一所示：

表一 显微物镜参数表

显微物镜对应的透镜参数如表二所示：

表二 显微物镜透镜参数表

其中，R1-R26表示不同透镜表面的曲率半径，曲率半径和厚度的单位为mm，玻璃参数曲率半径对应的透镜参数，两组数据分别为折射率和阿贝数；其中R1-R26表示不同透镜表明的曲率半径，单位为毫米。R26表示第一透镜L1靠近物方一侧的曲率半径，R25表示第一透镜L1和第二透镜L2相配合一侧的曲率半径，表二中与R25对应的玻璃参数为第一透镜L1的参数， R24表示第二透镜L2背离第一透镜L1一侧的曲率半径；表二中与R24对应的玻璃参数为第二透镜L2的参数

R22和R23表示第三透镜L3两个表面的曲率半径, 表二中与R22对应的玻璃参数为第三透镜L3的参数；R21表示第四透镜L4靠近第三透镜L3一侧表面的曲率半径，R20表示第四透镜L4和第五透镜L5相配合表面的曲率半径, 表二中与R20对应的玻璃参数为第四透镜L4的参数，R19表示第五透镜L5背离第四透镜L4所在一侧的曲率半径，表二中与R19对应的玻璃参数为第五透镜L5的参数；

R18表示第六透镜L6靠近第五透镜L5一侧表面的曲率半径, R17表示第六透镜L6和第七透镜L7相配合表面的曲率半径，表二中与R17对应的玻璃参数为第六透镜L6的参数；R16表示第七透镜L7和第八透镜L8相配合表面的曲率半径，表二中与R16对应的玻璃参数为第七透镜L7的参数；R15表示第八透镜L8背离第七透镜L7一侧表面的曲率半径, 表二中与R15对应的玻璃参数为第八透镜L8的参数；

R14表示第九透镜L9靠近第八透镜L8所在一侧表面的曲率半径, R13表示第九透镜L9和第十透镜L10配合表面的曲率半径，表二中与R13对应的玻璃参数为第九透镜L9的参数；R12表示第十透镜L10背离第九透镜L9所在一侧表面的曲率半径, 表二中与R12对应的玻璃参数为第十透镜L10的参数；

R11表示第十一透镜L11靠近第十透镜L10所在一侧的曲率半径,R10表示第十一透镜L11和第十二透镜L12相配合表面的曲率半径，R9表示第十二透镜L12背离第十一透镜L11所在一侧的曲率半径, 表二中与R10对应的玻璃参数为第十一透镜L11的参数，表二中与R9对应的玻璃参数为第十二透镜L12的参数；

R8表示第十三透镜L13靠近第十二透镜L12所在一侧的曲率半径,R7表示第十三透镜L13和第十四透镜L14相配合表面的曲率半径，R6表示第十四透镜L14背离第十三透镜L13所在一侧的曲率半径, 表二中与R7对应的玻璃参数为第十三透镜L13的参数，表二中与R6对应的玻璃参数为第十四透镜L14的参数；

R4和R5表示第十五透镜L15曲率半径, 表二中与R4对应的玻璃参数为第十五透镜L15的参数；R3表示第十六透镜L16靠近第十五透镜L15所在一侧的曲率半径,R2表示第十六透镜L16和第十七透镜L17相配合表面的曲率半径，R1表示第十七透镜L17背离第十六透镜L16所在一侧的曲率半径, 表二中与R2对应的玻璃参数为第十六透镜L16的参数，表二中与R1对应的玻璃参数为第十七透镜L17的参数。

如图2-图5所示，分别为对显微物镜性能测试数据曲线图，图2为场曲图，横坐标表征场曲大小，单位为微米，纵坐标表示归一化入瞳，可以看出本发明的物镜满足平场需求；图3为畸变图，横坐标表征畸变大小（百分比），纵坐标表示归一化视场，从图中可以看出，本发明的显微物镜畸变小于0.5%。

图4中横坐标为空间频率（lp/mm）, 纵坐标表示显微物镜光学调试函数大小，T代表子午方向，S代表弧矢方向，可以看出本发明的显微物镜设计达到衍射极限；图5中横坐标表示视场大小，单位为毫米，纵坐标表示波前误差，显微物镜在视场范围内波前性能小于17nm；本发明的显微物镜畸变小，成像质量高，满足半导体领域对观察分辨率、检测速度和大视场观测要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种10倍平场复消色差显微物镜，其特征在于，由从物镜物方依次设置的具有正折射光焦度的第一透镜组（G1）、具有正折射光焦度的第二透镜组（G2）和具有负折射光焦度的第三透镜组（G3）组成，物镜光阑位于第一透镜组（G1）所在一侧； 2≥f（G2）/fobj≥1，其中f（G2）表示第二透镜组（G2）的焦距， fobj表示显微物镜焦距；所述第一透镜组 （G1） 由沿光路方向依次设置的第一透镜 （L1）、第二透镜 （L2） 和第三透镜 （L3） 组成，所述第一透镜（L1） 和第二透镜 （L2） 组成双胶合透镜，第一透镜 （L1） 为负光焦度双凹透镜，第二透镜（L2） 为正光焦度双凸透镜，第三透镜 （L3）为正光焦度双凸透镜；所述第二透镜组 （G2）由沿光路方向设置的第四透镜 （L4）、第五透镜 （L5）、第六透镜 （L6）、第七透镜 （L7） 和第八透镜 （L8） 组成，第四透镜 （L4） 和第五透镜 （L5） 组成双胶合透镜，第六透镜（L6）、第七透镜 （L7） 和第八透镜 （L8） 组成三胶合透镜，第四透镜 （L4） 为正光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第五透镜 （L5） 为正光焦度双凸透镜，第七透镜 （L7） 为负光焦度双凹透镜，第六透镜 （L6） 和第八透镜 （L8） 为正光焦度双凸透镜；所述第三透镜组（G3）由沿光路方向依次设置的四枚双胶合透镜和负光焦度透镜组成，四枚双胶合透镜和负光焦度透镜形成高斯结构，沿光路方向将透镜依次记为第九透镜 （L9）、第十透镜 （L10）、第十一透镜 （L11）、第十二透镜 （L12）、第十三透镜 （L13）、第十四透镜 （L14）、第十五透镜 （L15）、第十六透镜 （L16） 和第十七透镜 （L17），其中第九透镜（L9） 为负光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第十透镜 （L10） 为正光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第九透镜 （L9）和第十透镜 （L10）组成双胶合透镜，第十一透镜 （L11）为正光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第十二透镜 （L12） 为正光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第十一透镜（L11） 和第十二透镜 （L12） 组成双胶合透镜，第十三透镜 （L13）为负光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第十四透镜 （L14）为正光焦度且凸面朝向物方的弯月透镜，第十三透镜（L13） 和第十四透镜 （L14） 组成双胶合透镜，第十五透镜 （L15）为负光焦度双凹透镜，第十六透镜 （L16）为负光焦度双凹透镜，第十七透镜 （L17）为正光焦度双凸透镜，第十六透镜 （L16）与第十七透镜 （L17）组成双胶合透镜。

2.根据权利要求1所述的一种10倍平场复消色差显微物镜，其特征在于，所述第一透镜（L1）的d光折射率和阿贝数分别是n1和v1，1.8≥n1≥1.7，60≥v1≥50；第二透镜（L2）的d光折射率和阿贝数分别是n2和v2，1.5≥n2≥1.4，96≥v2≥90；第三透镜（L3）的d光折射率和阿贝数分别是n3和v3，1.5≥n3≥1.4，96≥v3≥90。

3.根据权利要求1所述的一种10倍平场复消色差显微物镜，其特征在于，所述第四透镜（L4）的d光折射率和阿贝数分别是n4和v4，1.9≥n4≥1.8，25≥v4≥20；第五透镜（L5）的d光折射率和阿贝数分别是n5和v5，1.5≥n5≥1.4，96≥v5≥90；第六透镜（L6）的d光折射率和阿贝数分别是n6和v6，1.5≥n6≥1.4，96≥v6≥90；第七透镜（L7）的d光折射率和阿贝数分别是n7和v7，1.7≥n7≥1.6，45≥v7≥40；第八透镜（L8）的d光折射率和阿贝数分别是n8和v8，1.55≥n8≥1.45，85≥v8≥80。

4.根据权利要求1所述的一种10倍平场复消色差显微物镜，其特征在于，所述第九透镜（L9）的d光折射率和阿贝数分别是n9和v9，1.85≥n9≥1.8，26≥v9≥20；第十透镜（L10）的d光折射率和阿贝数分别是n10和v10，1.5≥n10≥1.4；96≥v10≥90；第十一透镜（L11）的d光折射率和阿贝数分别是n11和v11，1.5≥n11≥1.4，96≥v11≥90；第十二透镜（L12）的d光折射率和阿贝数分别是n12和v12，1.96≥n12≥1.9，20≥v12≥17；第十四透镜（L14）的d光折射率和阿贝数分别是n14和v14，1.96≥n14≥1.9，20≥v14≥17；第十六透镜（L16）的d光折射率和阿贝数分别是n16和v16，1.5≥n16≥1.4，96≥v16≥90；第十七透镜（L17）的d光折射率和阿贝数分别是n17和v17，1.85≥n17≥1.8，45≥v17≥40。