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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(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)物镜在机器视觉中(zhong)除照(zhao)相物镜外,另一种(zhong)使(shi)用广泛的镜头(tou)类(lei)型。常规的显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)物镜是(shi)有(you)限共轭(e)设(she)计,即物距和像(xiang)距都是(shi)有(you)限远的,显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)系(xi)统的机械(xie)筒长也(ye)是(shi)固(gu)定(ding)的。而工(gong)(gong)业上测量(liang)中(zhong)用到的显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)物镜很多(duo)(duo)是(shi)采(cai)用无限共轭(e)设(she)计,即显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)物镜的入射光为(wei)平行(xing)光。在工(gong)(gong)业测量(liang)中(zhong),无限远显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)物镜可以提供(gong)许多(duo)(duo)优(you)点(dian),在白光干涉(she)显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)系(xi)统、激光显(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)共焦(jiao)系(xi)统和自(zi)动对(dui)焦(jiao)系(xi)统等(deng)都有(you)广泛应用。

 

二、定义

 

常规(gui)显(xian)微系(xi)(xi)统(tong)由(you)物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和目(mu)镜(jing)组成,由(you)于物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和目(mu)镜(jing)都是(shi)有(you)限(xian)(xian)共轭距设(she)计的(de)(de)(de)(de)(de)(de),在(zai)实际使用时物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和目(mu)镜(jing)之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)(de)(de)距离(li)是(shi)不能(neng)改变的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。系(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)整个放(fang)(fang)大(da)(da)倍(bei)率由(you)物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和目(mu)镜(jing)倍(bei)率乘积决(jue)定(ding)(ding)(ding)。而工业中(zhong)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)显(xian)微系(xi)(xi)统(tong)通常由(you)物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和筒(tong)镜(jing)组成,其(qi)结构如图1所示(shi),物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和筒(tong)镜(jing)都是(shi)无(wu)穷远设(she)计,物(wu)(wu)(wu)镜(jing)和筒(tong)镜(jing)中(zhong)间是(shi)平行光路,因(yin)此改变物(wu)(wu)(wu)镜(jing)与筒(tong)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)距离(li)不会影(ying)响成像质量,这也是(shi)无(wu)限(xian)(xian)共轭显(xian)微物(wu)(wu)(wu)镜(jing)与有(you)限(xian)(xian)共轭显(xian)微物(wu)(wu)(wu)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)区(qu)别。无(wu)限(xian)(xian)共轭显(xian)微系(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)放(fang)(fang)大(da)(da)倍(bei)率由(you)筒(tong)镜(jing)和物(wu)(wu)(wu)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)距之(zhi)比(bi)决(jue)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。由(you)于物(wu)(wu)(wu)镜(jing)是(shi)平行光入射(she),因(yin)此显(xian)微物(wu)(wu)(wu)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)放(fang)(fang)大(da)(da)倍(bei)率根据筒(tong)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)距确定(ding)(ding)(ding)。规(gui)定(ding)(ding)(ding)筒(tong)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)距为(wei)(wei)200mm时是(shi)标(biao)准(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1X筒(tong)镜(jing),即物(wu)(wu)(wu)镜(jing)焦(jiao)距为(wei)(wei)200mm,系(xi)(xi)统(tong)整体放(fang)(fang)大(da)(da)倍(bei)率是(shi)1X,此时物(wu)(wu)(wu)镜(jing)为(wei)(wei)1X物(wu)(wu)(wu)镜(jing),相(xiang)应的(de)(de)(de)(de)(de)(de)10X物(wu)(wu)(wu)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)距则(ze)为(wei)(wei)20mm。

 

图1. 无限远显微(wei)系统

 

三、显(xian)微(wei)镜头主要参数

 

无限(xian)远(yuan)显(xian)微物镜(jing)与有限(xian)远(yuan)显(xian)微物镜(jing)主要(yao)区别是入射光的形(xing)式,其它参(can)数的定义(yi)基本是一样的,但在实际应用中略有差(cha)异。

1)工作波(bo)(bo)(bo)长,生物医学用显(xian)(xian)微(wei)物镜(jing)(jing)(jing)的工作波(bo)(bo)(bo)长主要是白光,而无限远显(xian)(xian)微(wei)物镜(jing)(jing)(jing)还(hai)应(ying)用于激(ji)光共焦系统等(deng),其工作波(bo)(bo)(bo)长不仅限于白光,还(hai)有专(zhuan)用于特定(ding)(ding)激(ji)光或特定(ding)(ding)波(bo)(bo)(bo)段(duan)范围的镜(jing)(jing)(jing)头,如(ru)紫外显(xian)(xian)微(wei)物镜(jing)(jing)(jing)。

2)数(shu)值孔径NA,描述了(le)透(tou)镜收光(guang)锥角的大(da)小,而后(hou)者(zhe)决定了(le)物(wu)(wu)镜收光(guang)能(neng)力和空间(jian)分辨率,在无(wu)限(xian)远(yuan)显微物(wu)(wu)镜中,其(qi)数(shu)值孔径一(yi)般为物(wu)(wu)方数(shu)值孔径。

3)视(shi)场,指物镜(jing)的观测范围,显微物镜(jing)的视(shi)场通常是指物方的视(shi)野,对于整(zheng)个系统来说(shuo),实(shi)际的视(shi)场还要(yao)通过筒镜(jing)和传(chuan)感(gan)器(qi)的参数计(ji)算。

4)工作距(ju),指物镜的最后(hou)一(yi)面到观测样品(pin)之间(jian)的距(ju)离。

显微(wei)物镜是(shi)典型的(de)大数(shu)值(zhi)孔径小(xiao)视场系统,上述这(zhei)些参数(shu)都(dou)是(shi)相互制约的(de),如(ru)倍率越(yue)大,数(shu)值(zhi)孔径越(yue)大,视场就越(yue)小(xiao),工作(zuo)距离也越(yue)短。

 

四、分类

 

消色差(cha)显微物(wu)镜,是(shi)(shi)较(jiao)常见的一(yi)种显微物(wu)镜,只能(neng)校正光(guang)(guang)谱线中(zhong)红光(guang)(guang)和蓝光(guang)(guang)的轴(zhou)(zhou)向色差(cha)。同时校正了轴(zhou)(zhou)上点球差(cha)和近轴(zhou)(zhou)点慧差(cha),这种物(wu)镜不能(neng)消除二(er)级(ji)光(guang)(guang)谱,并且(qie)像场弯曲仍很大,也(ye)就是(shi)(shi)说,只能(neng)得到视场中(zhong)间范围清晰的像。此类(lei)物(wu)镜结构简单,经济实用(yong),被广(guang)泛地应用(yong)在(zai)中(zhong)、低倍显微镜上。

平场(chang)消(xiao)色差(cha)显(xian)微物镜,在消(xiao)色差(cha)基础上,较好地(di)校正物镜像(xiang)散和像(xiang)场(chang)弯曲,使整个视场(chang)都(dou)能显(xian)示(shi)清晰。

复(fu)消色差(cha)显微物镜,需要使用特殊玻璃校正系统(tong)的二级光谱,在可见(jian)光波(bo)段色差(cha)都(dou)(dou)很小(xiao),因此像质(zhi)很好,但镜片(pian)多、加工和装(zhuang)校都(dou)(dou)较困难,在高倍率显微镜上使用较多。

平场复(fu)消(xiao)(xiao)色差显微(wei)物镜,除进一步作像场弯曲校正外,其(qi)它像差校正程度均与复(fu)消(xiao)(xiao)色差显微(wei)物镜相同。

半(ban)复消色差(cha)显微物(wu)镜(jing),部(bu)分镜(jing)片(pian)特殊(shu)玻璃制(zhi)成,性能比(bi)消色差(cha)物(wu)镜(jing)好(hao),价格比(bi)复消色差(cha)物(wu)镜(jing)便宜。校正(zheng)像差(cha)程度介于(yu)消色差(cha)与复消色差(cha)两种物(wu)镜(jing)之间,但其它光学(xue)性质都(dou)与后者相近。

长工(gong)(gong)作(zuo)距(ju)显微(wei)物(wu)镜(jing)(jing)(jing),由(you)于(yu)显微(wei)物(wu)镜(jing)(jing)(jing)数据大数值(zhi)孔(kong)径(jing)系(xi)统(tong),所以通常(chang)(chang)工(gong)(gong)作(zuo)距(ju)离(li)较(jiao)短,而在(zai)工(gong)(gong)业测(ce)量中,由(you)于(yu)照明(ming)和测(ce)量的需要,通常(chang)(chang)对(dui)工(gong)(gong)作(zuo)距(ju)离(li)有一(yi)定(ding)的要求,因此针对(dui)这种(zhong)情况,一(yi)些(xie)厂家专门开发了长工(gong)(gong)作(zuo)距(ju)系(xi)统(tong)的显微(wei)物(wu)镜(jing)(jing)(jing),但通常(chang)(chang)这些(xie)长工(gong)(gong)作(zuo)距(ju)显微(wei)物(wu)镜(jing)(jing)(jing)比相同倍率显微(wei)物(wu)镜(jing)(jing)(jing)数值(zhi)孔(kong)径(jing)小一(yi)些(xie)。

图2. 无限共(gong)轭长工作距(ju)复(fu)消色差显微物镜(jing)

 

图2为我司某项(xiang)目中(zhong)使用的(de)无(wu)限共轭(e)长工作距复(fu)消色差(cha)显微(wei)物镜(jing)(jing),显微(wei)物镜(jing)(jing)的(de)参数(shu)一般被标注外壳上(shang),便于(yu)识别(bie)。其中(zhong)代(dai)表(biao)(biao)无(wu)限共轭(e),20X代(dai)表(biao)(biao)放大倍(bei)(bei)率20倍(bei)(bei),M Plan代(dai)表(biao)(biao)平(ping)场,Apo代(dai)表(biao)(biao)复(fu)消色差(cha),0.42代(dai)表(biao)(biao)物方数(shu)值孔径0.42,f=200代(dai)表(biao)(biao)配合200mm筒(tong)镜(jing)(jing)使用。

 

参(can)考文(wen)献

[1] 王之江. 实用光学技术(shu)手册[M].北京:机械工业出版社(she)

[2] 郁(yu)道银, 谈恒英(ying). 工(gong)程光学[M].北京:机械工(gong)业(ye)出版社

2021年10月25日 15:53