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【自有技术大讲堂】工业物镜的选择

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随着目前各种电子设备的小型化与高精度化,设备内部元件的尺寸变得越来越小。为了满足超小精度的检测要求,需要使用显微镜对其进行检测。传统的显微镜由物镜、目镜等配件组成,系统相对复杂,调试也比较困难。在工业方面,受限于安装空间、样品特性等因素,对显微镜的要求也不尽相同。而工业显微镜由于使用相机代替人眼观察,它的性能主要由物镜决定。

 

物镜属于较复杂的光学产品,其性能参数也比较复杂,在工业检测方面,主要有以下重要技术参数:

 

1.无限远共轭&有限远共轭

 

①有限远共轭显微物镜如图a所示,从样品散射的光被物镜汇聚到一点,然后通过目镜成像。

 

②无限远共轭显微物镜如图b所示,离开物镜后孔径的光线会被准直,需要一个镜筒透镜将物镜准直后的光聚焦在传感器上。

 

 

③无限远共轭物镜在工业方面有较大优势,其物镜和镜筒透镜之间可以插入偏振片、滤波片等器件,以最小的改动来实现成像的需求。

 

④无限远共轭物镜还需要考虑物镜与镜筒的焦距匹配问题。无限远共轭物镜只有在搭配匹配的镜筒时,放大倍率才准确,色差与平场的矫正才有最好的效果,具体可见下表:

 

 

例如Nikon 50X物镜的焦距为200/50=4mm,如果将其应用在olympus专用的镜筒上,则放大倍率会变为180/4=45X。

 

2.色差与平场

 

根据物镜对色差和平场的矫正能力,将物镜分为以下几类:

 

 

目前工业上使用最多的是平场复消色差物镜。

 

3.基本参数

 

①放大倍率

放大倍率影响整个显微系统的像素精度,并且与物镜本身的分辨力成正比,倍率越高,分辨能力越强。

 

②数值孔径(N.A.)与分辨力

数值孔径用于衡量物镜汇聚光线的能力。数值孔径越大,汇聚光线的能力越强,从而生成更明亮、更高分辨率的图像。

 

分辨力决定了两个可观察物体之间的最小距离,由以下公式计算:

 

 

N.A.值越高,波长越短,分辨力越高。

 

③工作距离、视场、景深

工作距离:物镜底面到样品表面的距离,与物镜数值成反比。

视场:物镜保证成像质量的视野大小。不同品牌的视场数有所区别,具体可见下表(普通型号):

 

 

景深:即在图像锐度不发生明显变化情况下的物镜轴向聚焦范围。该值通常随着数值孔径的增加而减小。如果样品的高度差异较大,超过了物镜的景深范围,就不能在仅拍一张图的情况下得到所有区域都清晰的图片。

 

以上为工业物镜选取时需要考虑的参数,选择正确的物镜可以改善显微镜的成像性能,并为量化和分析提供更可靠的结果。

 

2022年10月19日 09:02