PL227532B1 - Układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym, przeznaczony do pomiarów parametrów optycznych materiałów, profili powierzchni 2D lub dyspersji opóźnienia fazowego z możliwością wyrywkowego podglądu wizualnego za pomocą kamery lub okularu.

W badaniach parametrów optycznych materiałów stosowane są układy interferometryczne z układem konfokalnym wykorzystującym aberrację chromatyczną do uzyskania informacji o strukturze i geometrii próbki. W artykule „Pomiar odległości w wielu płaszczyznach”, Elektronika Praktyczna nr 2/2012, przedstawiającym ofertę czujników precyzyjnych firmy Micro-Epsilon Messtechnik, opisana jest konfokalna, chromatyczna zasada pomiaru z wykorzystaniem światła białego. Standardowe światło LED, przekazywane z kontrolera poprzez światłowód do czujnika, przechodzi przez układ optyczny z wielu soczewek, które skupiają światło na powierzchni mierzonego obiektu. Soczewki są tak rozmieszczone, że występuje specyficzna aberracja chromatyczna. Oznacza to, że światło o różnych długościach fal lub kolorów koncentrowane jest pod różnym kątem. Światło odbite od powierzchni powraca do kontrolera, gdzie z kolei przechodzi przez układ optyczny, który wyświetla je na światłoczułym elemencie czujnika. Światłoczuły element czujnika wykrywa spektrum światła odbitego i określa odległość od mierzonego obiektu.

Z opisu patentowego JPH09113240 znany jest konfokalny mikroskop skaningowy do badania próbek w trójwymiarowym układzie współrzędnych, w którym próbka oświetlana światłem białym jest oddalona od ogniska soczewki, a informacja o geometrii lub strukturze próbki jest wykrywana za pomocą spektroskopu na podstawie analizy spektralnej wiązki światła odbitej od powierzchni próbki. W rozwiązaniu tym oś toru pomiarowego pokrywa się z kierunkiem wiązki oświetlającej próbkę. W tego typu mikroskopach utrudniona jest obserwacja próbki, gdyż uzyskany obraz próbki jest zniekształcony przez aberrację soczewki.

Z patentu europejskiego EP2031428 znany jest mikroskop skaningowy, w którym główna oś optyczna toru pomiarowego jest pochylona względem płaszczyzny pomiarowej. W rozwiązaniu tym do kompensacji różnicy między płaszczyzną ogniskową a płaszczyzną pomiarową zastosowano przezroczysty ruchomy element klinowy o znanym współczynnik załamania. Ponadto mikroskop jest wyposażony w oświetlacz, z którego wiązka oświetleniowa jest doprowadzona do głównej osi optycznej za pomocą dzielnika światła. Rozwiązanie to umożliwia inspekcję wizualną próbki, ale nie zapewnia uzyskania informacji o odległości roboczej ze względu na uśredniony efekt oddziaływania światła na materię.

Celem wynalazku jest zbudowanie układu optycznego zmodyfikowanego czujnika konfokalnego pozbawionego wad występujących w dotychczas znanych czujnikach, który umożliwia wyrywkowy podgląd wizualny za pomocą okularu lub kamery cyfrowej. Cel ten osiągnięto w dwugałęziowym układzie optycznym, w którym jedna gałąź ze sprzęgaczem optycznym służy do pomiaru spektrometrycznego odległości roboczej, a druga gałąź z oświetlaczem służy do obserwacji wizualnej.

Układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym, złożony z gałęzi spektrometrycznej do pomiaru odległości roboczej i gałęzi wizualnej do obserwacji wizualnej, jest wyposażony we wspólny dla obu gałęzi obiektyw czołowy o korekcji apochromatycznej, pryzmatyczny dzielnik wiązek realizujący podział na gałęzie, oświetlacz, soczewki formujące wiązkę światła w gałęzi spektrometrycznej, oraz sprzęgacz optyczny wprowadzający światło białe oraz odprowadzający światło rozczepione przez zmienną odległość roboczą do spektrofotometru, według wynalazku charakteryzuje się tym, że gałąź spektrometryczna zawiera pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek a sprzęgaczem optycznym quasi lunetkę chromatyczną i dodatkowy obiektyw nadawczo-odbiorczy o korekcji apochromatycznej, którego apertura numeryczna jest taka sama jak apertura numeryczna obiektywu czołowego, zaś gałąź wizualna zawiera obiektyw tubusowy i dodatkowy dzielnik wiązek pomiędzy obiektywem tubusowym a oświetlaczem wizualnym, przy czym obiektyw tubusowy jest umieszczony pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek a dodatkowym dzielnikiem wiązek przepuszczającym wiązkę światła białego z oświetlacza wizualnego i odbijającego wiązkę wysyłaną z obiektywu tubusowego, a na drodze wiązki odbitej jest umieszczony nastawny obiektyw.

Korzystnym jest, jeżeli obiektyw czołowy składa się z trzech soczewek, przy czym dodatnia soczewka obiektywu, usytuowana od strony pryzmatycznego dzielnika wiązek, jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji ΔΡί,Η z zakresu od 0,18 do 0,27, a apertura numeryczna obiektywu czołowego wynosi 0,12.

PL 227 532 B1

Korzystnym jest, jeżeli pryzmatyczny dzielnik wiązek jest kostką światłodzielącą o szerokiej i równomiernej charakterystyce przenoszenia widma w wiązce przechodzącej i odbitej.

Korzystnym jest, jeżeli dodatkowy dzielnik wiązek stanowi dzielnik foliowy typu pellicle.

Korzystnym jest, jeżeli quasi lunetka chromatyczna składa się z czterech soczewek składowych: dwóch dodatnich zewnętrznych wykonywanych ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego od 30 do 42 i dwóch ujemnych wewnętrznych wykonywanych ze szkła typu kronowego o liczbie Abbego od 58 do 70, przy czym powiększenie kątowe tej lunetki mieści się korzystnie w zakresie od 0,8 do 1,3 dla średniej długości fali światła.

Korzystnym jest, jeżeli obiektyw nadawczo-odbiorczy składa się z dwu soczewek, dodatniej i ujemnej, przy czym dodatnia soczewka jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji ΔΡί,Η z zakresu od 0,18 do 0,27.

Korzystnym jest, jeżeli obiektyw tubusowy składa się z dwu soczewek.

Korzystnym jest także, jeżeli że nastawny obiektyw jest zamocowany przesuwnie w kierunku równoległym do osi obiektywu czołowego.

Korzystnym jest, jeżeli sprzęgacz optyczny stanowi sprzęgacz pryzmatyczny.

Korzystnym jest także, jeżeli sprzęgacz optyczny stanowi sprzęgacz światłowodowy.

W czujniku według wynalazku obie gałęzie posiadają własne źródła światła białego zawierające ciągłe widmo fal światła widzialnego. Źródło światła w gałęzi spektrometrycznej może być wprowadzone poprzez sprzęgacz optyczny, pryzmatyczny lub światłowodowy, zaś w gałęzi wizualnej poprzez dodatkowy dzielnik wiązek typu pellicle lub kostkę światłodzielącą. Dzięki temu, że obie gałęzie układu optycznego wykorzystują obiektyw mikroskopowy o korekcji apochromatycznej, układ czujnika zachowuje wysoką jakość odwzorowania obrazu przy zmianach odległości roboczej zarówno w świetle białym jak i monochromatycznym, co pozwala na dobrą obserwacje wizualną. Jednocześnie pozwala na dobre odwzorowanie monochromatyczne potrzebne w gałęzi spektrometrycznej nie wnosząc dodatkowej skazy chromatycznej. Korekcję apochromatyczną obiektywu uzyskano dzięki temu, że soczewkę dodatnią wykonano z materiału optycznego o dobranym względnym cząstkowym współczynniku dyspersji z dużą wartością dewiacji w zakresie krótkofalowym.

Dzięki zastosowaniu quasi lunetki chromatycznej, której soczewki mają specjalnie dobrane współczynniki dyspersji liczby Abbego uzyskano w przestrzeni przedmiotowej czujnika aberrację chromatyczną podłużną na osi optycznej o wielkości potrzebnej do założonego pomiaru odległości. Zasada doboru dyspersji materiałów jest przeciwna do tej, jaka obowiązuje w przypadku układów optycznych achromatycznych, to jest wolnych od aberracji chromatycznej na osi optycznej.

Dzięki zastosowaniu pryzmatycznego dzielnika wiązek o szerokiej i równomiernej charakterystyce przenoszenia widma, uzyskano niezależność pomiaru odległości roboczej od podziału wiązki oraz dobrą jakość odwzorowania w gałęzi wizualnej.

Dzięki zastosowaniu obiektywu nadawczo-odbiorczego o korekcji apochromatycznej, układ czujnika zachowuje wysoką jakość odwzorowania obrazu przy zmianach odległości roboczej zarówno w świetle białym nadawczym, jak i monochromatycznym odbiorczym, co pozwala na uniezależnienie pomiaru od stanu korekcji chromatycznej tego obiektywu nie wnosząc dodatkowych błędów.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym, a fig. 2 przedstawia szczegółowo układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym.

Jak przedstawiono na fig. 1, układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym składa się z gałęzi spektrometrycznej do pomiaru odległości roboczej i gałęzi wizualnej do obserwacji wizualnej, które są wyposażone we wspólny obiektyw czołowy 1 o korekcji apochromatycznej, pryzmatyczny dzielnik wiązek 2 realizujący podział na gałęzie, oświetlacz, soczewki formujące wiązkę światła w gałęzi spektrometrycznej, oraz sprzęgacz optyczny 5 wprowadzający światło białe ze źródła światła białego 7 oraz odprowadzający światło rozczepione przez zmienną odległość roboczą do spektrofotometru 6.

Gałąź spektrometryczna zawiera pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek 2 a sprzęgaczem optycznym 5 quasi lunetkę chromatyczną 3 i dodatkowy obiektyw nadawczo-odbiorczy 4 o korekcji apochromatycznej, którego apertura numeryczna jest taka sama jak apertura numeryczna obiektywu czołowego 1.

Gałąź wizualna zawiera obiektyw tubusowy 8 i dodatkowy dzielnik wiązek 9 pomiędzy obiektywem tubusowym 8 a oświetlaczem wizualnym 10. Obiektyw tubusowy 8 jest umieszczony pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek 2 a dodatkowym dzielnikiem wiązek 9 przepuszczającym wiązkę

PL 227 532 B1 światła białego z oświetlacza wizualnego 10 i odbijającego wiązkę wysyłaną z obiektywu tubusowego 8. Na drodze wiązki odbitej od dodatkowego dzielnika wiązek 9 jest umieszczony nastawny obiektyw 11, w postaci kamery lub okularu.

Jak przedstawiono na fig. 2, obiektyw czołowy 1 składa się z trzech soczewek 12, 13, 14, przy czym dodatnia soczewka 14 obiektywu jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h=0,7462 z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji APi,h=0,2636 z zakresu od 0,18 do 0,27. Są to zakresy korzystne dla uzyskania korekcji apochromatycznej, przy czym w podanych zakresach najbardziej korzystne są wartości parametrów zbliżone do maksymalnych.

Obiektyw czołowy 1 ma aperturę numeryczną równą 0,12, ogniskową obrazową równą 40 mm, przedmiotowe pole widzenia 2,2x1,75 mm i odległość roboczą równą 19,6 mm. Dodatnia soczewka 14 jest usytuowana od strony pryzmatycznego dzielnika wiązek 2.

Pryzmatyczny dzielnik wiązek 2 stanowi kostka światłodzieląca o wymiarach 13x13 mm, która charakteryzuje się szeroką i równomierną charakterystyką przenoszenia widma w wiązce przechodzącej i odbitej.

Quasi lunetka chromatyczna 3 jest zbudowana z czterech soczewek składowych: dwóch dodatnich zewnętrznych 15, 18 wykonywanych ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego od 30 do 42 i dwóch ujemnych wewnętrznych 16, 17 wykonywanych ze szkła typu kronowego o liczbie Abbego od 58 do 70, przy czym powiększenie kątowe tej lunetki mieści i się w przybliżeniu w zakresie od 0,8 do 1,3 dla średniej długości fali światła.

Obiektyw nadawczo-odbiorczy 4 składa się z dwu soczewek 19, 20, dodatniej i ujemnej, i charakteryzuje się aperturą numeryczną 0,12, ogniskową obrazową równa 40 mm, polem widzenia o średnicy 0,06 mm i odległością roboczą równą 34,1 mm, przy czym dodatnia soczewka 19 jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h=0,7462 z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji APi,h=0,2636 z zakresu od 0,18 do 0,27. Są to zakresy korzystne dla uzyskania korekcji apochromatycznej, przy czym w podanych zakresach najbardziej korzystne są wartości parametrów zbliżone do maksymalnych.

Spektrofotometr 6 i źródło światła 7 są podłączane do układu optycznego czujnika za pomocą sprzęgacza optycznego 5, zwłaszcza sprzęgacza światłowodowego 21 widocznego na fig. 2.

Obiektyw tubusowy 8 składa się z dwu soczewek 22, 23 i charakteryzuje się aperturą numeryczną 0,03, ogniskową obrazową równą 160 mm, średnią odległością roboczą równą 129,36 mm i polem widzenia równym 8,8x6,6 mm, przy czym obiektyw tubusowy 8 uczestniczy zarówno w tworzeniu obrazu wizualnego odbieranego za pomocą przesuwnego obiektywu 11, jak i oświetleniu za pomocą dodatkowego dzielnika wiązek 9 i oświetlacza wizualnego 10.

Oświetlacz wizualny 10 składa się z pary soczewek 24 i 25 oraz dodatkowego źródła światła białego 26.

Przesuwny obiektyw 11, w postaci kamery lub okularu, jest zamocowany przesuwnie w kierunku równoległym do osi obiektywu czołowego 1. Przesuwny obiektyw 11 wykonuje ruch użytkowy w zakresie ±20,4 mm potrzebny do nastawiania ostrości przy podglądzie wizualnym.

Układ optyczny przykładowego czujnika konfokalnego o opisanych powyżej parametrach jest przystosowany do pomiaru odległości roboczej w zakresie 2,55 mm przy zmianie długości fali świetlnej od 400 nm do 700 nm.

Claims (10)

1. Układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym, złożony z gałęzi spektrometrycznej do pomiaru odległości roboczej i gałęzi wizualnej do obserwacji wizualnej, wyposażony we wspólny dla obu gałęzi obiektyw czołowy o korekcji apochromatycznej, pryzmatyczny dzielnik wiązek realizujący podział na gałęzie, oświetlacz, soczewki formujące wiązkę światła w gałęzi spektrometrycznej, oraz sprzęgacz optyczny wprowadzający światło białe oraz odprowadzający światło rozczepione przez zmienną odległość roboczą do spektrofotometru, znamienny tym, że gałąź spektrometryczna zawiera pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek (2) a sprzęgaczem optycznym (5) quasi lunetkę chromatyczną (3) i dodatkowy obiektyw nadawczo-odbiorczy (4) o korekcji apochromatycznej, którego apertura numeryczna jest taka sama jak apertura numeryczna obiektywu czołowego (1), zaś gałąź wizualna zawiera obiektyw tubusowy (8) i dodatkowy dzielnik wiązek (9) pomiędzy obiektyPL 227 532 B1 wem tubusowym (8) a oświetlaczem wizualnym (10), przy czym obiektyw tubusowy (8) jest umieszczony pomiędzy pryzmatycznym dzielnikiem wiązek (2) a dodatkowym dzielnikiem wiązek (9) przepuszczającym wiązkę światła białego z oświetlacza wizualnego (10) i odbijającego wiązkę wysyłaną z obiektywu tubusowego (8), a na drodze wiązki odbitej jest umieszczony nastawny obiektyw (11).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że obiektyw czołowy (1) składa się z trzech soczewek (12, 13, 14), przy czym dodatnia soczewka (14) obiektywu, usytuowana od strony pryzmatycznego dzielnika wiązek (2), jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji ΔΡί,Η z zakresu od 0,18 do 0,27, a apertura numeryczna obiektyw czołowego (1) wynosi 0,12.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pryzmatyczny dzielnik wiązek (2) jest kostką światłodzielącą o szerokiej i równomiernej charakterystyce przenoszenia widma w wiązce przechodzącej i odbitej.

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowy dzielnik wiązek (9) stanowi dzielnik foliowy typu pellicle.

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że quasi lunetka chromatyczna (3) składa się z czterech soczewek składowych (15, 16, 17, 18): dwóch dodatnich zewnętrznych (15, 18) wykonywanych ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego od 30 do 42 i dwóch ujemnych wewnętrznych (16, 17) wykonywanych ze szkła typu kronowego o liczbie Abbego od 58 do 70, przy czym powiększenie kątowe tej lunetki mieści się korzystnie w zakresie od 0,8 do 1,3 dla średniej długości fali światła.

6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że obiektyw nadawczo-odbiorczy (4) składa się z dwu soczewek (19, 20), dodatniej i ujemnej, przy czym dodatnia soczewka (19) jest wykonana z materiału optycznego o współczynniku dyspersji cząstkowej względnej Pi,h z zakresu od 0,70 do 0,75 i dewiacji ΔPi,h z zakresu od 0,18 do 0,27.

7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że obiektyw tubusowy (8) składa się z dwu soczewek (22, 23).

8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że nastawny obiektyw (11) jest zamocowany przesuwnie w kierunku równoległym do osi obiektywu czołowego (1).

9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęgacz optyczny (5) stanowi sprzęgacz pryzmatyczny.

10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęgacz optyczny (5) stanowi sprzęgacz światłowodowy (21).