王培芳，向陽(yáng)，王繼凱，王琪

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

光電顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王培芳，向陽(yáng)，王繼凱，王琪

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

光電顯微鏡具有很高的靈敏度，能夠消除測(cè)量過(guò)程中的主觀性，提高測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化與準(zhǔn)確度。為了提高光電顯微鏡的測(cè)量精度，本文采用物方遠(yuǎn)心的原理設(shè)計(jì)了一應(yīng)用于比長(zhǎng)儀的物方遠(yuǎn)心光電顯微鏡。設(shè)計(jì)結(jié)果：視放大倍率Γ= 100倍，物方線視場(chǎng)2y=0.5mm，數(shù)值孔徑NA=0.2，分辨率σ=1.68μm，工作距離28.5mm，光學(xué)系統(tǒng)波像差小于1/4λ，傳遞函數(shù)接近衍射極限。光電顯微鏡的光學(xué)測(cè)量誤差小于0.7%。

光學(xué)設(shè)計(jì)；光電顯微鏡；放大倍率；比長(zhǎng)儀

動(dòng)態(tài)光電顯微鏡［1］是應(yīng)用于比長(zhǎng)儀上瞄準(zhǔn)動(dòng)態(tài)刻尺，測(cè)量光學(xué)刻尺上刻劃誤差的一種設(shè)備。當(dāng)刻線被掃過(guò)光電顯微鏡時(shí)，光電顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)部分對(duì)光學(xué)精密尺子的刻線進(jìn)行采樣，能將線紋的黑度中心呈現(xiàn)在光學(xué)狹縫上，射向光電倍增管，光電倍增管接收刻線信號(hào)后，根據(jù)光強(qiáng)經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)的變化光電子轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，形成鐘形脈沖［2］，采用差動(dòng)式原理高精度的測(cè)出其刻劃誤差。

1　光電顯微鏡的工作原理

圖1為光電顯微鏡的工作原理框圖。刻尺上的刻線被照亮后經(jīng)過(guò)光電顯微鏡的物鏡分別成像到兩個(gè)光學(xué)狹縫上［3］，光學(xué)狹縫后面接光電倍增管，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后通過(guò)處理光信號(hào)來(lái)計(jì)算出所測(cè)刻尺的刻線精度。其中觀察調(diào)整系統(tǒng)是為了調(diào)整狹縫位置與大小方便觀察的系統(tǒng)。為了方便對(duì)不同材質(zhì)的刻尺進(jìn)行測(cè)量，還專門(mén)設(shè)計(jì)了反射式與透射式兩種照明方式。

圖1　光電顯微鏡原理圖

2　成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)有大的景深的特點(diǎn)，可以消除由物平面位置不準(zhǔn)確所引起的測(cè)量誤差。提高光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2.1物方遠(yuǎn)心光路原理

物方遠(yuǎn)心光路［4］的特點(diǎn)是孔徑光闌在物鏡像方焦平面上，物鏡的入瞳［5］在無(wú)窮遠(yuǎn)，軸外主光線平行于光軸。其原理如圖2所示。

圖2　物方遠(yuǎn)心光路原理圖

圖2中，在物鏡L的像方焦平面F'處設(shè)置孔徑光闌，即物鏡的出瞳，其入瞳位于物方無(wú)限遠(yuǎn)。物體B1B2上各點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)物鏡L后，其主光線通過(guò)光闌中心所在的像方焦點(diǎn)F'，而其物方主光線均平行于光軸。如果物體B1B2正確地位于光電器件接受面M1M2相共軛的位置A1處，則在光電器件上像的長(zhǎng)度為M1M2，如果物體B1B2沿光軸方向有所移動(dòng)，不在位置A1處，而在位置A2處時(shí)，那么它的像面將與光電器件接受面不重合，在光電器件上得到的是點(diǎn)的投影像（彌散斑，圖中虛線所示）。但是在物方空間，由于物體上同一點(diǎn)，如B1B2點(diǎn)發(fā)出光束的主光線，并不隨著物體位置的移動(dòng)而變化，如果物體B1B2在A1處或在A2處時(shí)，B1點(diǎn)和B2點(diǎn)的物方主光線均平行于光軸，其像方主光線必通過(guò)像方焦點(diǎn)F'。因此，通過(guò)光電器件接受面上的主光線仍通過(guò)M1點(diǎn)和M2點(diǎn)，據(jù)此測(cè)出的像大小仍為M1M2。這種光學(xué)系統(tǒng)，由于入瞳位于物方無(wú)限遠(yuǎn)，物方主光線平行于光軸，因此稱之為物方遠(yuǎn)心光跟由于成像系統(tǒng)選用了這種結(jié)構(gòu)，所以可以消除或者減小由于被測(cè)物體在光軸方向移動(dòng)而引起的誤差，并大大提高系統(tǒng)的測(cè)量精度［6］。

2.2物鏡設(shè)計(jì)

為了提高測(cè)量精度顯微物鏡采用物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)［4］，這樣可以消除由于尺子振動(dòng)引起的物距的變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。

顯微物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)：放大倍率β=10，物方線視場(chǎng)2y=0.5mm，數(shù)值孔徑NA=0.2，分辨率［7］σ=0.61λ/ NA=1.68μm，工作距離28.5mm。

物鏡的成像質(zhì)量也將對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生直接的影響，特別是畸變值的大小是影響測(cè)量精度的主要因素。由于物鏡采用兩個(gè)雙膠合的結(jié)構(gòu)，使前后兩組透鏡的像差可以相互補(bǔ)償，使畸變場(chǎng)曲等各種像差均得到很好地校正，從而獲得了較好的成像質(zhì)量，物鏡特征頻率為110lp/mm時(shí)MTF=0.61，全口徑畸變小于0.0072%，波像差peak to valley=0.21λ，小于四分之一波長(zhǎng)，滿足瑞利判據(jù)。物鏡各種像差曲線如圖3至圖7所示。

圖3　物鏡光路圖

圖4　為顯微物鏡MTF曲線圖

圖5　為場(chǎng)曲和畸變圖

圖6　為物鏡色差曲線

圖7　物鏡波像差

2.3目鏡設(shè)計(jì)

為了方便觀察，目鏡由一個(gè)放大一倍的小物鏡與一焦距為25mm放大倍率10的目鏡組成，小物鏡的作用就是將光電倍增管反射回來(lái)的像成像到方便觀察的位置，供目鏡觀察。觀察系統(tǒng)的作用主要是方便調(diào)整尺子及粗略估計(jì)被檢尺刻度寬度。

觀察系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：小物鏡視場(chǎng)視場(chǎng)2y=5mm，放大倍率β=1X，目鏡焦距 f=25mm，放大倍率β=10X。

圖8，圖9，圖10，圖11分別為觀察系統(tǒng)的光路圖，MTF曲線，點(diǎn)列圖和波像差。

可見(jiàn)觀察顯微鏡在40lp/mm為40時(shí)的MTF= 0.51，接近衍射極限，波像差為0.0054λ，小于四分之一波長(zhǎng)，滿足瑞利判據(jù)。

圖9　觀察顯微鏡MTF曲線

圖10　觀察顯微鏡點(diǎn)列圖

圖11　觀察顯微鏡波像差

3　總體系統(tǒng)圖

光電顯微鏡的總體系統(tǒng)圖如圖12所示。被測(cè)量的米尺刻線經(jīng)過(guò)顯微物鏡2及分光棱鏡4后，分別成像于狹縫13、14上，并通過(guò)狹縫被光電倍增管15、16所接收，將信號(hào)送往控制電路。另外經(jīng)物鏡所成的像被光電倍增管反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)小物鏡，目鏡供人眼觀察。

圖12　光學(xué)系統(tǒng)原理圖

4　公差分析

在給定如表3所示的公差分配的條件下進(jìn)行公差分析。

運(yùn)行公差分析，得出所要分析的公差對(duì)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。分析可知在Monte Carlo分析的20個(gè)隨機(jī)鏡頭中，特征頻率為110lp/mm時(shí)90%鏡頭MTF值大于0.61，50%鏡頭MTF值大于0.62，10%鏡頭MTF值大于0.63。由上述分析結(jié)果可知，系統(tǒng)的公差是合理的，便于加工。

5　誤差分析

（1）人眼對(duì)準(zhǔn)誤差

分劃板刻線為雙線夾線對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)精度為10″，則產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)誤差

（2）調(diào)焦誤差

由于物鏡采用物方遠(yuǎn)心光路，所以這部分誤差可以忽略為0。

則

（3）系統(tǒng)畸變帶來(lái)的誤差

系統(tǒng)物方視場(chǎng) 2y=0.5mm，最大畸變?yōu)?.0072%，則由畸變帶來(lái)的最大誤差為：

表1　公差數(shù)據(jù)表

（4）棱鏡帶來(lái)的誤差

取棱鏡的加工精度為1′，則棱鏡展開(kāi)后后表面與光軸的夾角為90°-2′，設(shè)光軸通過(guò)棱鏡后的出射角度為θ，有

出射光束與原光軸偏離的角度α=θ-2'，棱鏡距像面的距離為86mm，則由棱鏡帶來(lái)的誤差

則總的誤差為

測(cè)量誤差精度為：

6　結(jié)論

本文介紹了光電顯微鏡的工作原理，設(shè)計(jì)了一應(yīng)用于比長(zhǎng)儀的光電顯微鏡，并能滿足對(duì)高精度線紋量具測(cè)量設(shè)備提出的高準(zhǔn)確度的要求。顯微鏡采用臨界照明和柯勒照明兩種照明方式，使刻線的照度應(yīng)分布均勻，提高光電顯微鏡的瞄準(zhǔn)誤差。并充分考慮加工工藝和結(jié)構(gòu)成本要求，獲得了一光電顯微鏡，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低、成像質(zhì)量好以及具有較高的分辨力。此光電顯微鏡會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)及安全檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，預(yù)測(cè)該產(chǎn)品將有較好的市場(chǎng)前景。

［1］ 楊進(jìn)堂.動(dòng)態(tài)光電顯微鏡［J］.光學(xué)精密工程，1996，4 （3）：95-99.

［2］ 蔣秀蘭.關(guān)于提高動(dòng)態(tài)光電顯微鏡定位精度的探討［J］.長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1983（2），34-40.

［3］ 張曉，葉孝佑，孫雙花，等.動(dòng)態(tài)光電顯微鏡刻線瞄準(zhǔn)信號(hào)的處理方法［J］.計(jì)量技術(shù)，2008（11）：12-16.

［4］ 郁道銀，談恒英.工程光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］ Yang Ruining，An zhiyong，Cao Weguo，et al.Optical sight an exit pupil diameter，an exit pupil distance and magnification of modern testing technology research［J］.Journal of China Ordnance，2008（9）：141-144.

［6］ 楊志文.光學(xué)測(cè)量［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

［7］ 莊振鋒，王敏，陳榮.0.25×高分辨力視頻顯微鏡設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器，2008（1）：63-65.

［8］ 于劍，張國(guó)玉.小視場(chǎng)紅外探頭標(biāo)定用離軸反射式平行光管設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33 （1）：11-13.

The Optical System Design of Photoelectric Microscope

WANG Peifang，XIANG Yang，WANG Jikai，WANG Qi
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Engineering，Changchun 130022）

Photoelectric microscope has a high sensitivity and can eliminate the subjectivity in the process of measurement，improving the automation and accuracy of the measurement process.In order to improve the measurement precision of the photoelectric microscope，this paper uses the tele-centric principle to design photoelectric microscope which is applied in length comparator.The system result：Γ=100，the object side view 2y=0.5mm，numerical aperture NA=0.2，the resolution of the σ=1.68μm，working distance=28.5mm.The optical system of wave aberration is less than 1/4λ and transfer function is close to the diffraction limit.finally，the visual measurement error being less than 0.7%.

optical design；optical microscope；magnification comparator

O439

A

1672-9870（2015）05-0017-05

2015-07-03

王培芳（1988-），女，碩士研究生，E-mail：841620983@qq.com

向陽(yáng)（1968-），男，教授，E-mail：xyciom@163.com