梅培俊, 許 鍵,2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093;2.賓夕法尼亞州立大學(xué) 工程科學(xué)系, 賓夕法尼亞 16802)

適用顯微鏡質(zhì)量測(cè)試的高分辨率測(cè)量鏡頭設(shè)計(jì)

梅培俊1, 許 鍵1,2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093;2.賓夕法尼亞州立大學(xué) 工程科學(xué)系, 賓夕法尼亞 16802)

利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一款適用于光學(xué)成像尺寸為38 mm的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)型工業(yè)相機(jī)的高分辨率測(cè)量鏡頭,該工業(yè)相機(jī)用于自動(dòng)化定量分析檢測(cè)顯微鏡像差。通過(guò)數(shù)碼圖像處理的方式去評(píng)判顯微鏡物鏡性能的好壞。在滿足性能要求基礎(chǔ)上,對(duì)普通的測(cè)量鏡頭結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化,使得測(cè)量鏡頭擁有非常高的分辨率。該鏡頭焦距為36 mm,后工作距約為32 mm,視場(chǎng)像面高度為36 mm,在90 lp/mm處,中心視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值大于0.45,邊緣視場(chǎng)MTF值大于0.25。

光學(xué)設(shè)計(jì); 顯微鏡質(zhì)量測(cè)試; 像質(zhì)評(píng)價(jià)

引 言

光學(xué)顯微鏡是一種用于觀察微觀物體的光學(xué)儀器,是人類進(jìn)入到微觀原子時(shí)代的標(biāo)志。隨著制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展,顯微鏡除了顯微顯示,還廣泛應(yīng)用于電子、生物、軍事、教育和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。從檢測(cè)微電子電路的焊點(diǎn)好壞到生物學(xué)上的細(xì)胞分子觀察,顯微鏡的使用隨處可見(jiàn)。生命科學(xué)的快速發(fā)展,對(duì)顯微鏡的要求越來(lái)越高,為了保證顯微鏡成像質(zhì)量,需要有簡(jiǎn)便有效的測(cè)量手段?，F(xiàn)階段鏡頭的檢測(cè)一般是在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行模擬分析,成品之后進(jìn)行檢測(cè),如顯微鏡物鏡鏡頭的色差、像散、畸變等,需要一些專業(yè)人員利用相關(guān)檢測(cè)板進(jìn)行人工檢測(cè)。目前我國(guó)的精密顯微鏡制造及檢測(cè)技術(shù)還不夠全面,所以給生產(chǎn)制造和產(chǎn)品檢測(cè)增加了一定的難度。為此本文利用Zemax軟件設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)器視覺(jué)的能定量檢測(cè)顯微鏡像差[1]以及分辨率的工業(yè)相機(jī)測(cè)量鏡頭。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為顯微鏡質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量系統(tǒng)由待測(cè)顯微鏡,工業(yè)相機(jī)(由測(cè)量鏡頭和CMOS圖像傳感器組成),測(cè)量控制軟件等構(gòu)成。通過(guò)支架和相關(guān)夾具將工業(yè)相機(jī)與待測(cè)顯微鏡目鏡鏡頭進(jìn)行固定。為了不使工業(yè)相機(jī)測(cè)量鏡頭引入新的像差和降低系統(tǒng)的分辨能力,該測(cè)量鏡頭采用雙高斯型復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)形式,復(fù)雜化的目的主要是減小軸上高級(jí)球差和軸外球差,同時(shí)為了提高該測(cè)量鏡頭的MTF值,達(dá)到系統(tǒng)要求的分辨率。

1.2測(cè)量鏡頭設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求:像面采用CMOS圖像傳感器,其尺寸約為38 mm;要求測(cè)量鏡頭將顯微鏡眀場(chǎng)圖像正好成像在CMOS的圖像傳感器上面,像面大小略小于圖像傳感器光敏面大小,保證通過(guò)測(cè)量鏡頭拍攝后的圖片保留邊緣4個(gè)弧形暗角,如圖2所示。

圖1 顯微鏡質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Microscope quality measurement system

圖2 視場(chǎng)邊緣弧形暗角Fig.2 The black corner of the field of view

由于該測(cè)量鏡頭用于測(cè)量顯微鏡分辨率和相關(guān)像差,在測(cè)量過(guò)程中需要分別測(cè)量不同波長(zhǎng)下的顯微鏡的像差。實(shí)測(cè)時(shí)分別使用了紫色、藍(lán)色、綠色、紅色濾光片,各濾光片對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為436 nm、480 nm、546 nm、644 nm。為了滿足實(shí)際需求,采用該4種波長(zhǎng)對(duì)測(cè)量鏡頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

顯微鏡質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)采用了美國(guó)illunis工業(yè)相機(jī)[2],提供7 000萬(wàn)像素級(jí)別的分辨率。圖3為CMOS的角度響應(yīng)特性曲線。

由于CMOS圖像傳感器的角度響應(yīng)特性曲線限制,隨入射光與光敏面夾角的變大,其響應(yīng)幅度減小。為了使所設(shè)計(jì)鏡頭完全包括顯微鏡最大視場(chǎng)同時(shí)又能滿足CMOS光學(xué)傳感器最佳的成像效果,同時(shí)考慮到CMOS光敏面自身的微透鏡矯正和不矯正的兩種情況,結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求,保證角度響應(yīng)在80%以上,其主光線入射角度需要控制在10°之內(nèi)。又因?yàn)楣I(yè)相機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)限定,后工作距需在32 mm左右。為了使該測(cè)量鏡頭與顯微鏡目鏡鏡頭的光瞳匹配,測(cè)量鏡頭的入瞳尺寸控制在3.5～4.0 mm范圍。

圖3 CHR70M角度響應(yīng)特性曲線Fig.3 The angular response characteristic curve of CHR70M

CMOS光敏面芯片尺寸約為38 mm,為了充分利用CMOS芯片的成像面,需根據(jù)測(cè)試時(shí)所用的顯微鏡目鏡參數(shù)合理設(shè)置測(cè)量鏡頭焦距。目鏡參數(shù)如表1所示。

因?yàn)轱@微鏡目鏡的出射光為平行光,原理圖如圖4所示,根據(jù)幾何關(guān)系可知,工業(yè)相機(jī)CMOS光敏面接收?qǐng)D像尺寸與目鏡前端中間實(shí)像面尺寸(即顯微鏡目鏡的物面尺寸)關(guān)系為

(1)

表1 目鏡參數(shù)Tab.1 Eyepiece parameters

圖4 原理圖Fig.4 Schematic diagram

因?yàn)楹笃跀?shù)字化圖像處理算法的要求,測(cè)量時(shí)拍攝的圖像必須存在如圖1所示的4個(gè)弧形黑色暗角,以用于計(jì)算顯微鏡明場(chǎng)范圍中心,所以最終顯微鏡全視場(chǎng)像面必須略小于CMOS光敏面。由于我們使用的顯微目鏡放大倍率為12.5倍,h為20 mm,所以,為了滿足所成圖像盡量填滿整個(gè)CMOS光敏面,同時(shí)保證4個(gè)弧形暗角的存在,由式(1)得,該工業(yè)測(cè)量鏡頭的焦距定為36 mm。

對(duì)于工業(yè)相機(jī)來(lái)說(shuō),整個(gè)系統(tǒng)的分辨率包括鏡頭的分辨率和芯片提供的分辨率,為了保證系統(tǒng)能夠匹配,測(cè)量鏡頭的分辨率設(shè)計(jì)必須結(jié)合CMOS芯片的分辨率,芯片的分辨率可以根據(jù)如下公式計(jì)算:

(2)

由于手術(shù)顯微鏡在物鏡角放大率最小的情況下,物鏡之后的成像最大的分辨率為177 lp/mm,但是由于經(jīng)過(guò)目鏡和攝影透鏡成像在CMOS芯片上時(shí),其圖像放大約為2倍,即工業(yè)相機(jī)上需要提供的分辨率為

(3)

因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)相機(jī)拍攝斑點(diǎn)圖來(lái)評(píng)價(jià)顯微鏡物鏡性能,在不影響其拍攝質(zhì)量的情況下,結(jié)合上述分析,將測(cè)量鏡頭的分辨率設(shè)計(jì)要求定為90 lp/mm。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1選擇初始結(jié)構(gòu)

由于該鏡頭為檢測(cè)顯微鏡相關(guān)像差的鏡頭,對(duì)鏡頭本身要求較高,故選用雙高斯復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)形式,并將光瞳位置設(shè)置在雙高斯鏡頭的中間位置,該結(jié)構(gòu)消像差的能力較強(qiáng),既能有效地減小軸上高級(jí)球差又能減小軸外球差。根據(jù)系統(tǒng)的要求,顯微鏡目鏡岀射光線為平行光,故該測(cè)量鏡頭的物處于無(wú)限遠(yuǎn)處,同時(shí)該無(wú)限遠(yuǎn)的物體又通過(guò)測(cè)量鏡頭成像在CMOS光敏面上。類似于閉路電視的成像物鏡[3],實(shí)質(zhì)上是照相物鏡,因物體位于測(cè)量物鏡的無(wú)限遠(yuǎn),其像面即焦平面與CMOS光敏面重合。根據(jù)文獻(xiàn)[4]照相物鏡移植應(yīng)用的研究,該工業(yè)相機(jī)測(cè)量鏡頭最佳選擇是對(duì)已設(shè)計(jì)好的照相物鏡進(jìn)行移植應(yīng)用,主要是選用雙高斯及其復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)形式。從光學(xué)鏡頭手冊(cè)中選擇NO.01-00-010大相對(duì)孔徑雙高斯型照相物鏡[5]作為初始結(jié)構(gòu),該物鏡焦距為100 mm,后工作距為73.42 mm,F數(shù)為1.4,視場(chǎng)角2w=±22.5°,如圖5所示。

圖5 大相對(duì)孔徑雙高斯型照相物鏡Fig.5 Large relative aperture double Gaussian photographic objective lens

2.2優(yōu)化過(guò)程

初始結(jié)構(gòu)僅僅在大相對(duì)孔徑雙高斯型照相物鏡上添加了1片透鏡,由7片式改進(jìn)為8片式,其目的是平衡光焦度,但是依然不符合設(shè)計(jì)要求,需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。首先,對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行焦距縮放,直至達(dá)到要求的焦距f=36 mm,然后根據(jù)顯微鏡出瞳的大小,設(shè)置該物鏡入瞳直徑為4 mm,同時(shí)加入4個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行分析。由于初始結(jié)構(gòu)與我們的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)相差甚遠(yuǎn),所以在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)置新的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通常是利用Zemax軟件默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化參數(shù)如下:

(1) 為了控制焦距必須添加EFFL操作數(shù),又因?yàn)镃MOS光敏面與鏡頭的最后一面距離被工業(yè)相機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)限定,設(shè)定后工作距為32 mm。

(2) 因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)需要測(cè)量顯微鏡的畸變、像散,測(cè)量鏡頭需要滿足更好的像質(zhì),故需要添加控制畸變、像散的操作數(shù)[6]DIST、ASTI,另外光線入射到CMOS光敏面的角度應(yīng)控制在10°以內(nèi),添加了RAID來(lái)進(jìn)行控制。

(3) 還有一些球差[7]、MTF值的優(yōu)化,為了使測(cè)量鏡頭滿足測(cè)量要求,其測(cè)量鏡頭必須匹配整個(gè)系統(tǒng)的球差要求與分辨率的要求,引入了SPHA、MTFT、MTFA、MTFS等操作數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(4) 為了更方便控制,同時(shí)還引入了數(shù)學(xué)操作數(shù),如絕對(duì)值、乘積、大于、小于等。此外結(jié)構(gòu)方面考慮到加工工藝的限制,對(duì)透鏡中心厚度、邊緣厚度、最小空氣厚度等都進(jìn)行了控制和優(yōu)化[8]。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與像質(zhì)評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)反復(fù)修改和優(yōu)化,最終得到一個(gè)性能優(yōu)良且完全滿足設(shè)計(jì)要求的測(cè)量鏡頭結(jié)構(gòu)。測(cè)量鏡頭最終的結(jié)構(gòu)如圖6所示。優(yōu)化后的系統(tǒng)焦距為35.961 mm,后工作距約為32 mm,孔徑光闌位置距離透鏡前表面約為12 mm。測(cè)量鏡頭的入瞳直徑為4 mm,完全匹配顯微鏡最大岀瞳直徑,因此保證顯微鏡目鏡岀射光線能夠完全進(jìn)入該物鏡[9]。足夠的后工作距保證了系統(tǒng)裝配的便捷,降低了后續(xù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。系統(tǒng)岀射光線的最大角度為8.843°,根據(jù)上述CMOS角度響應(yīng)特性曲線要求,保證了CMOS的轉(zhuǎn)化效率處于一個(gè)較高的線性響應(yīng)區(qū)域。和最初的選型結(jié)構(gòu)相比,優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)由于改成了8片式結(jié)構(gòu),對(duì)于平衡光焦度,控制像差等都起到了一定的作用。

圖7為優(yōu)化后的測(cè)量鏡頭MTF曲線圖,且比7片式原始結(jié)構(gòu)MTF值提高了很多。優(yōu)化后,在鏡頭分辨率為90 lp/mm處,系統(tǒng)的中心視場(chǎng)MTF值達(dá)到了0.45以上,邊緣視場(chǎng)的MTF值也在0.25以上,達(dá)到了測(cè)量顯微鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,且不論是圖像的銳度還是對(duì)比度都能完全滿足[10]。圖8為測(cè)量鏡頭的點(diǎn)列圖,在各視場(chǎng)處,點(diǎn)列圖均方根半徑均處于愛(ài)里斑的范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)Fig.6 The optimized structure

圖7 優(yōu)化后系統(tǒng)的MTF曲線Fig.7 The optimized MTF

圖8 優(yōu)化后系統(tǒng)的點(diǎn)列圖Fig.8 The optimized spot diagram

3 結(jié) 論

通過(guò)Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)8片式測(cè)量鏡頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了一個(gè)主光線角度(入射到CMOS光敏面上的最大光線角度)小于10°的光學(xué)系統(tǒng),在90 lp/mm處中心視場(chǎng)的MTF值大于0.45,邊緣視場(chǎng)的MTF值大于0.25,鏡頭各視場(chǎng)的點(diǎn)列圖均方根半徑均小于3 μm,處于愛(ài)里斑的范圍內(nèi)。孔徑光闌位置距離透鏡前表面約為12 mm,較短的距離可以更好地與顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合。測(cè)量鏡頭的成像面積正好略小于CMOS圖像傳感器面積,可以看見(jiàn)四個(gè)弧形暗角,該測(cè)量鏡頭可以用于高倍顯微鏡物鏡鏡頭的定量化檢測(cè)與測(cè)量。由于測(cè)量鏡頭的所有透鏡均采用易加工的球面,大大降低了生產(chǎn)難度和成本。本文的設(shè)計(jì)對(duì)評(píng)價(jià)顯微鏡像差起到了積極的作用,也為其他成像系統(tǒng)的像差檢測(cè)提供了參考。

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Highresolutionmeasurementlensdesignformicroscopequalitytesting

MEI Peijun1, XU Jian1,2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.Department of Engineering Science, the Pennsylvania State University, Pennsylvania 16802, USA)

A high-resolution measurement lens for a complementary metal-oxide semiconductor(CMOS) industrial camera with an optical imaging size of 38 mm was designed using the Zemax optical design software.The industrial camera was used for automated quantitative analysis to detect microscopic aberrations.The performance of the microscope objective lens is judged by the digital image processing method.On the basis of satisfying the performance requirements,the ordinary measurement lens was optimized,and the lens structure was optimized so that the measurement lens has higher resolution.The effective focal length of the system is 36 mm.Back working distance is about 32 mm,the field-of-view height is 36 mm.At 90 lp/mm,its modulated transfer function(MTF) of center field is greater than 0.45 and the MTF value of edge field is greater than 0.25.

optical design; microscope quality test; image evaluation

1005－5630（2017）05－0064－06

2017-02-20

梅培俊(1992—),男,碩士研究生,主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)和圖像處理方面的研究。E-mail:1019947066@qq.com

許 鍵(1970—),男,教授,主要從事半導(dǎo)體發(fā)光器件方面的研究。E-mail:jxu_opto@163.com

TN 202

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.011

(編輯:劉鐵英)