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【自有技术大讲堂】工业镜头-无限共轭显微物镜

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一、导读

 

显微物镜在机器视觉中除照相物镜外,另一种使用广泛的镜头类型。常规的显微物镜是有限共轭设计,即物距和像距都是有限远的,显微系统的机械筒长也是固定的。而工业上测量中用到的显微物镜很多是采用无限共轭设计,即显微物镜的入射光为平行光。在工业测量中,无限远显微物镜可以提供许多优点,在白光干涉显微系统、激光显微共焦系统和自动对焦系统等都有广泛应用。

 

二、定义

 

常规显微系统由物镜和目镜组成,由于物镜和目镜都是有限共轭距设计的,在实际使用时物镜和目镜之间的距离是不能改变的。系统的整个放大倍率由物镜和目镜倍率乘积决定。而工业中用的显微系统通常由物镜和筒镜组成,其结构如图1所示,物镜和筒镜都是无穷远设计,物镜和筒镜中间是平行光路,因此改变物镜与筒镜的距离不会影响成像质量,这也是无限共轭显微物镜与有限共轭显微物镜的最大区别。无限共轭显微系统的放大倍率由筒镜和物镜的焦距之比决定的。由于物镜是平行光入射,因此显微物镜的放大倍率根据筒镜的焦距确定。规定筒镜的焦距为200mm时是标准的1X筒镜,即物镜焦距为200mm,系统整体放大倍率是1X,此时物镜为1X物镜,相应的10X物镜的焦距则为20mm。

 

图1. 无限远显微系统

 

三、显微镜头主要参数

 

无限远显微物镜与有限远显微物镜主要区别是入射光的形式,其它参数的定义基本是一样的,但在实际应用中略有差异。

1)工作波长,生物医学用显微物镜的工作波长主要是白光,而无限远显微物镜还应用于激光共焦系统等,其工作波长不仅限于白光,还有专用于特定激光或特定波段范围的镜头,如紫外显微物镜。

2)数值孔径NA,描述了透镜收光锥角的大小,而后者决定了物镜收光能力和空间分辨率,在无限远显微物镜中,其数值孔径一般为物方数值孔径。

3)视场,指物镜的观测范围,显微物镜的视场通常是指物方的视野,对于整个系统来说,实际的视场还要通过筒镜和传感器的参数计算。

4)工作距,指物镜的最后一面到观测样品之间的距离。

显微物镜是典型的大数值孔径小视场系统,上述这些参数都是相互制约的,如倍率越大,数值孔径越大,视场就越小,工作距离也越短。

 

四、分类

 

消色差显微物镜,是较常见的一种显微物镜,只能校正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差,这种物镜不能消除二级光谱,并且像场弯曲仍很大,也就是说,只能得到视场中间范围清晰的像。此类物镜结构简单,经济实用,被广泛地应用在中、低倍显微镜上。

平场消色差显微物镜,在消色差基础上,较好地校正物镜像散和像场弯曲,使整个视场都能显示清晰。

复消色差显微物镜,需要使用特殊玻璃校正系统的二级光谱,在可见光波段色差都很小,因此像质很好,但镜片多、加工和装校都较困难,在高倍率显微镜上使用较多。

平场复消色差显微物镜,除进一步作像场弯曲校正外,其它像差校正程度均与复消色差显微物镜相同。

半复消色差显微物镜,部分镜片特殊玻璃制成,性能比消色差物镜好,价格比复消色差物镜便宜。校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间,但其它光学性质都与后者相近。

长工作距显微物镜,由于显微物镜数据大数值孔径系统,所以通常工作距离较短,而在工业测量中,由于照明和测量的需要,通常对工作距离有一定的要求,因此针对这种情况,一些厂家专门开发了长工作距系统的显微物镜,但通常这些长工作距显微物镜比相同倍率显微物镜数值孔径小一些。

图2. 无限共轭长工作距复消色差显微物镜

 

图2为新利登录平台某项目中使用的无限共轭长工作距复消色差显微物镜,显微物镜的参数一般被标注外壳上,便于识别。其中代表无限共轭,20X代表放大倍率20倍,M Plan代表平场,Apo代表复消色差,0.42代表物方数值孔径0.42,f=200代表配合200mm筒镜使用。

 

参考文献

[1] 王之江. 实用光学技术手册[M].上海:机械工业出版社

[2] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M].上海:机械工业出版社

2021年10月25日 15:53
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