光電顯微鏡的光學系統設計

王培芳，向陽，王繼凱，王琪

（長春理工大學　光電工程學院，長春　130022）

光電顯微鏡的光學系統設計

王培芳，向陽，王繼凱，王琪

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

光電顯微鏡具有很高的靈敏度，能夠消除測量過程中的主觀性，提高測量過程的自動化與準確度。為了提高光電顯微鏡的測量精度，本文采用物方遠心的原理設計了一應用于比長儀的物方遠心光電顯微鏡。設計結果：視放大倍率Γ= 100倍，物方線視場2y=0.5mm，數值孔徑NA=0.2，分辨率σ=1.68μm，工作距離28.5mm，光學系統波像差小于1/4λ，傳遞函數接近衍射極限。光電顯微鏡的光學測量誤差小于0.7%。

光學設計；光電顯微鏡；放大倍率；比長儀

動態光電顯微鏡［1］是應用于比長儀上瞄準動態刻尺，測量光學刻尺上刻劃誤差的一種設備。當刻線被掃過光電顯微鏡時，光電顯微鏡的光學系統部分對光學精密尺子的刻線進行采樣，能將線紋的黑度中心呈現在光學狹縫上，射向光電倍增管，光電倍增管接收刻線信號后，根據光強經過狹縫時的變化光電子轉化成電信號，形成鐘形脈沖［2］，采用差動式原理高精度的測出其刻劃誤差。

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過光電顯微鏡的物鏡分別成像到兩個光學狹縫上［3］，光學狹縫后面接光電倍增管，對光信號進行放大處理，最后通過處理光信號來計算出所測刻尺的刻線精度。其中觀察調整系統是為了調整狹縫位置與大小方便觀察的系統。為了方便對不同材質的刻尺進行測量，還專門設計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　成像光學系統設計

由于物方遠心系統有大的景深的特點，可以消除由物平面位置不準確所引起的測量誤差。提高光學系統的測量精度。

2.1物方遠心光路原理

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

圖2　物方遠心光路原理圖

圖2中，在物鏡L的像方焦平面F'處設置孔徑光闌，即物鏡的出瞳，其入瞳位于物方無限遠。物體B1B2上各點發出的光束經物鏡L后，其主光線通過光闌中心所在的像方焦點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度為M1M2，如果物體B1B2沿光軸方向有所移動，不在位置A1處，而在位置A2處時，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，如B1B2點發出光束的主光線，并不隨著物體位置的移動而變化，如果物體B1B2在A1處或在A2處時，B1點和B2點的物方主光線均平行于光軸，其像方主光線必通過像方焦點F'。因此，通過光電器件接受面上的主光線仍通過M1點和M2點，據此測出的像大小仍為M1M2。這種光學系統，由于入瞳位于物方無限遠，物方主光線平行于光軸，因此稱之為物方遠心光跟由于成像系統選用了這種結構，所以可以消除或者減小由于被測物體在光軸方向移動而引起的誤差，并大大提高系統的測量精度［6］。

2.2物鏡設計

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

顯微物鏡設計參數：放大倍率β=10，物方線視場2y=0.5mm，數值孔徑NA=0.2，分辨率［7］σ=0.61λ/ NA=1.68μm，工作距離28.5mm。

物鏡的成像質量也將對測量精度產生直接的影響，特別是畸變值的大小是影響測量精度的主要因素。由于物鏡采用兩個雙膠合的結構，使前后兩組透鏡的像差可以相互補償，使畸變場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量，物鏡特征頻率為110lp/mm時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，滿足瑞利判據。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目鏡設計

為了方便觀察，目鏡由一個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的像成像到方便觀察的位置，供目鏡觀察。觀察系統的作用主要是方便調整尺子及粗略估計被檢尺刻度寬度。

觀察系統設計參數：小物鏡視場視場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分別為觀察系統的光路圖，MTF曲線，點列圖和波像差。

可見觀察顯微鏡在40lp/mm為40時的MTF= 0.51，接近衍射極限，波像差為0.0054λ，小于四分之一波長，滿足瑞利判據。

圖9　觀察顯微鏡MTF曲線

圖10　觀察顯微鏡點列圖

圖11　觀察顯微鏡波像差

3　總體系統圖

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

圖12　光學系統原理圖

4　公差分析

在給定如表3所示的公差分配的條件下進行公差分析。

運行公差分析，得出所要分析的公差對成像系統成像質量的影響。分析可知在Monte Carlo分析的20個隨機鏡頭中，特征頻率為110lp/mm時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。由上述分析結果可知，系統的公差是合理的，便于加工。

5　誤差分析

（1）人眼對準誤差

分劃板刻線為雙線夾線對準，對準精度為10″，則產生的對準誤差

（2）調焦誤差

由于物鏡采用物方遠心光路，所以這部分誤差可以忽略為0。

則

（3）系統畸變帶來的誤差

系統物方視場 2y=0.5mm，最大畸變為0.0072%，則由畸變帶來的最大誤差為：

表1　公差數據表

（4）棱鏡帶來的誤差

取棱鏡的加工精度為1′，則棱鏡展開后后表面與光軸的夾角為90°-2′，設光軸通過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，則由棱鏡帶來的誤差

則總的誤差為

測量誤差精度為：

6　結論

本文介紹了光電顯微鏡的工作原理，設計了一應用于比長儀的光電顯微鏡，并能滿足對高精度線紋量具測量設備提出的高準確度的要求。顯微鏡采用臨界照明和柯勒照明兩種照明方式，使刻線的照度應分布均勻，提高光電顯微鏡的瞄準誤差。并充分考慮加工工藝和結構成本要求，獲得了一光電顯微鏡，其結構簡單、加工成本低、成像質量好以及具有較高的分辨力。此光電顯微鏡會在工業生產及安全檢測領域得到廣泛應用，預測該產品將有較好的市場前景。

［1］ 楊進堂.動態光電顯微鏡［J］.光學精密工程，1996，4 （3）：95-99.

［2］ 蔣秀蘭.關于提高動態光電顯微鏡定位精度的探討［J］.長春光學精密機械學院學報，1983（2），34-40.

［3］ 張曉，葉孝佑，孫雙花，等.動態光電顯微鏡刻線瞄準信號的處理方法［J］.計量技術，2008（11）：12-16.

［4］ 郁道銀，談恒英.工程光學［M］.北京：機械工業出版社，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.光學測量［M］.北京：北京理工大學出版社，1995.

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

［8］ 于劍，張國玉.小視場紅外探頭標定用離軸反射式平行光管設計［J］.長春理工大學學報：自然科學版，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（1968-），男，教授，E-mail：xyciom@163.com