光电显微镜的光学系统设计

王培芳，向阳，王继凯，王琪

（长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

光电显微镜的光学系统设计

王培芳，向阳，王继凯，王琪

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

光电显微镜具有很高的灵敏度，能够消除测量过程中的主观性，提高测量过程的自动化与准确度。为了提高光电显微镜的测量精度，本文采用物方远心的原理设计了一应用于比长仪的物方远心光电显微镜。设计结果：视放大倍率Γ= 100倍，物方线视场2y=0.5mm，数值孔径NA=0.2，分辨率σ=1.68μm，工作距离28.5mm，光学系统波像差小于1/4λ，传递函数接近衍射极限。光电显微镜的光学测量误差小于0.7%。

光学设计；光电显微镜；放大倍率；比长仪

动态光电显微镜［1］是应用于比长仪上瞄准动态刻尺，测量光学刻尺上刻划误差的一种设备。当刻线被扫过光电显微镜时，光电显微镜的光学系统部分对光学精密尺子的刻线进行采样，能将线纹的黑度中心呈现在光学狭缝上，射向光电倍增管，光电倍增管接收刻线信号后，根据光强经过狭缝时的变化光电子转化成电信号，形成钟形脉冲［2］，采用差动式原理高精度的测出其刻划误差。

1　光电显微镜的工作原理

图1为光电显微镜的工作原理框图。刻尺上的刻线被照亮后经过光电显微镜的物镜分别成像到两个光学狭缝上［3］，光学狭缝后面接光电倍增管，对光信号进行放大处理，最后通过处理光信号来计算出所测刻尺的刻线精度。其中观察调整系统是为了调整狭缝位置与大小方便观察的系统。为了方便对不同材质的刻尺进行测量，还专门设计了反射式与透射式两种照明方式。

图1　光电显微镜原理图

2　成像光学系统设计

由于物方远心系统有大的景深的特点，可以消除由物平面位置不准确所引起的测量误差。提高光学系统的测量精度。

2.1物方远心光路原理

物方远心光路［4］的特点是孔径光阑在物镜像方焦平面上，物镜的入瞳［5］在无穷远，轴外主光线平行于光轴。其原理如图2所示。

图2　物方远心光路原理图

图2中，在物镜L的像方焦平面F'处设置孔径光阑，即物镜的出瞳，其入瞳位于物方无限远。物体B1B2上各点发出的光束经物镜L后，其主光线通过光阑中心所在的像方焦点F'，而其物方主光线均平行于光轴。如果物体B1B2正确地位于光电器件接受面M1M2相共轭的位置A1处，则在光电器件上像的长度为M1M2，如果物体B1B2沿光轴方向有所移动，不在位置A1处，而在位置A2处时，那么它的像面将与光电器件接受面不重合，在光电器件上得到的是点的投影像（弥散斑，图中虚线所示）。但是在物方空间，由于物体上同一点，如B1B2点发出光束的主光线，并不随着物体位置的移动而变化，如果物体B1B2在A1处或在A2处时，B1点和B2点的物方主光线均平行于光轴，其像方主光线必通过像方焦点F'。因此，通过光电器件接受面上的主光线仍通过M1点和M2点，据此测出的像大小仍为M1M2。这种光学系统，由于入瞳位于物方无限远，物方主光线平行于光轴，因此称之为物方远心光跟由于成像系统选用了这种结构，所以可以消除或者减小由于被测物体在光轴方向移动而引起的误差，并大大提高系统的测量精度［6］。

2.2物镜设计

为了提高测量精度显微物镜采用物方远心系统［4］，这样可以消除由于尺子振动引起的物距的变化带来的测量误差。

显微物镜设计参数：放大倍率β=10，物方线视场2y=0.5mm，数值孔径NA=0.2，分辨率［7］σ=0.61λ/ NA=1.68μm，工作距离28.5mm。

物镜的成像质量也将对测量精度产生直接的影响，特别是畸变值的大小是影响测量精度的主要因素。由于物镜采用两个双胶合的结构，使前后两组透镜的像差可以相互补偿，使畸变场曲等各种像差均得到很好地校正，从而获得了较好的成像质量，物镜特征频率为110lp/mm时MTF=0.61，全口径畸变小于0.0072%，波像差peak to valley=0.21λ，小于四分之一波长，满足瑞利判据。物镜各种像差曲线如图3至图7所示。

图3　物镜光路图

图4　为显微物镜MTF曲线图

图5　为场曲和畸变图

图6　为物镜色差曲线

图7　物镜波像差

2.3目镜设计

为了方便观察，目镜由一个放大一倍的小物镜与一焦距为25mm放大倍率10的目镜组成，小物镜的作用就是将光电倍增管反射回来的像成像到方便观察的位置，供目镜观察。观察系统的作用主要是方便调整尺子及粗略估计被检尺刻度宽度。

观察系统设计参数：小物镜视场视场2y=5mm，放大倍率β=1X，目镜焦距 f=25mm，放大倍率β=10X。

图8，图9，图10，图11分别为观察系统的光路图，MTF曲线，点列图和波像差。

可见观察显微镜在40lp/mm为40时的MTF= 0.51，接近衍射极限，波像差为0.0054λ，小于四分之一波长，满足瑞利判据。

图9　观察显微镜MTF曲线

图10　观察显微镜点列图

图11　观察显微镜波像差

3　总体系统图

光电显微镜的总体系统图如图12所示。被测量的米尺刻线经过显微物镜2及分光棱镜4后，分别成像于狭缝13、14上，并通过狭缝被光电倍增管15、16所接收，将信号送往控制电路。另外经物镜所成的像被光电倍增管反射回来，经过小物镜，目镜供人眼观察。

图12　光学系统原理图

4　公差分析

在给定如表3所示的公差分配的条件下进行公差分析。

运行公差分析，得出所要分析的公差对成像系统成像质量的影响。分析可知在Monte Carlo分析的20个随机镜头中，特征频率为110lp/mm时90%镜头MTF值大于0.61，50%镜头MTF值大于0.62，10%镜头MTF值大于0.63。由上述分析结果可知，系统的公差是合理的，便于加工。

5　误差分析

（1）人眼对准误差

分划板刻线为双线夹线对准，对准精度为10″，则产生的对准误差

（2）调焦误差

由于物镜采用物方远心光路，所以这部分误差可以忽略为0。

则

（3）系统畸变带来的误差

系统物方视场 2y=0.5mm，最大畸变为0.0072%，则由畸变带来的最大误差为：

表1　公差数据表

（4）棱镜带来的误差

取棱镜的加工精度为1′，则棱镜展开后后表面与光轴的夹角为90°-2′，设光轴通过棱镜后的出射角度为θ，有

出射光束与原光轴偏离的角度α=θ-2'，棱镜距像面的距离为86mm，则由棱镜带来的误差

则总的误差为

测量误差精度为：

6　结论

本文介绍了光电显微镜的工作原理，设计了一应用于比长仪的光电显微镜，并能满足对高精度线纹量具测量设备提出的高准确度的要求。显微镜采用临界照明和柯勒照明两种照明方式，使刻线的照度应分布均匀，提高光电显微镜的瞄准误差。并充分考虑加工工艺和结构成本要求，获得了一光电显微镜，其结构简单、加工成本低、成像质量好以及具有较高的分辨力。此光电显微镜会在工业生产及安全检测领域得到广泛应用，预测该产品将有较好的市场前景。

［1］ 杨进堂.动态光电显微镜［J］.光学精密工程，1996，4 （3）：95-99.

［2］ 蒋秀兰.关于提高动态光电显微镜定位精度的探讨［J］.长春光学精密机械学院学报，1983（2），34-40.

［3］ 张晓，叶孝佑，孙双花，等.动态光电显微镜刻线瞄准信号的处理方法［J］.计量技术，2008（11）：12-16.

［4］ 郁道银，谈恒英.工程光学［M］.北京：机械工业出版社，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］ 杨志文.光学测量［M］.北京：北京理工大学出版社，1995.

［7］ 庄振锋，王敏，陈荣.0.25×高分辨力视频显微镜设计［J］.光学仪器，2008（1）：63-65.

［8］ 于剑，张国玉.小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，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，硕士研究生，E-mail：841620983@qq.com

向阳（1968-），男，教授，E-mail：xyciom@163.com