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基于MTF 的显微物镜景深的仿真测量

2014/11/13 21:35:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  韩海媚,萧泽新

  (桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004)

  摘要:介绍了一种基于MTF 的显微物镜景深仿真测量方法。将光学设计CAD 软件中评价像质的光学传递函数MTF 移植用于景深仿真测量之中。即人为设置离焦方式,通过增大或减小物镜工作距离来察看显微物镜的MTF 值改变情况,当MTF 值降低到一定程度刚刚不能满足成像质量要求时,该工作距离即临界最大或临界最小工作距离,两者差值即为显微物镜景深仿真测量值。

  0 引 言

  景深是显微物镜重要参数之一。在现代二维高精度测量中,作为提高整个测量系统中的基础——光学系统的精度,该参数的获得具有重要意义。经查询,在国内还未见有相应测量景深方法的报导。因此,不论是从理论创新还是实际应用出发,有必要对景深的测量进行研究,以便在设计、生产、检测中快捷地对有景深要求光学系统的方案选择提供科学的抉择依据。

  文中提出了一种景深的测量方法:利用光学设计软件OSLO 的像质评价函数MTF[1],将已设计好的显微物镜通过离焦的方式对显微物镜的景深进行测量。后续研究又通过多个自主研发的已知结构参数的显微物镜进行实际景深测量,并将这些实测数据与仿真测量值比较,验证了仿真测量值的正确性,该方法使显微物镜景深的研究从理论计算走向可操作的仿真测量。从而可用于指导对景深有要求的显微光学系统的设计。

  1 显微物镜景深仿真测量原理

  1.1 景深的定义

  空间物体成像不同于平面物体成像,不能满足严格的共轭关系,对于空间物体成像,能在像平面上获得清晰像的空间深度称为景深(Depth of Field)[2-3]。图1 中的△量就是景深。能成清晰像的最远物平面(即物点B1 所在的平面)称远景面;远景面到对准平面之间的距离称为后景深;能成清晰像的最近物平面(即物点B2 所在的平面)称近景面,近景面到对准平面的距离称为前景深。一般后景深要大于前景深。

  1.2 显微物镜景深仿真测量原理

  从景深的定义出发,很显然显微物镜对物面调焦清晰后,物面前后一定距离能成清晰的像的物空间为景深,如图2 所示,其中,(a)为调焦对准物面;(b)为调焦对准前景面;(c)为调焦对准后景面。如果分别使物镜对近景面和远景面调焦,则物面相对变成其前(后)景深值。若对近景面调焦则此时物镜实际工作距离WDmax=WD+Δ前。同理,若对远景面调焦则物镜实际工作距离min WD =WD - Δ后,是否可以通过光学设计CAD 软件人为地设置离焦,通过MTF 评价其截止频率来确定Δ 前与Δ 后。当然离焦量Δ 离需不断调整。后景深Δ后= max WD −WD ,前景深Δ前= min WD −WD ; Δ 仿真测量值= max WD -min WD

  2 景深仿真测量操作与案例

  对于具体的测量方法,以实际测量显微物镜景深的过程来做相应的介绍。文中主要以测量放大倍率为10×的3 种不同结构的显微物镜为例[4-6]。自主研发的10×无穷远长工作距离平场消色差显微物镜,结构如图3 所示[7]。β=-10×( f ’辅=200 mm); NA=0.25; f ′ =24.995 mm,共轭距=∞。参数具体数值如图4 所示。

  由图4 可以看出,此显微物镜成像最清楚时的工作距离WD 为18.594 7。

  由图5 可以看出,其MTF 值达到800 lp/mm,成像质量非常好。

  为了测量其景深,逐渐改变其工作距离,分别增大和减小工作距离来看成像质量的改变情况。首先,向减小工作距离的方向改变,每次改变5 μm,工作距离由原来的成像质量最优点18.594 7 逐步减小到如图6 所示的18.584 7,其MTF 值仍能达到800 lp/mm。

  当工作距离继续减小到18.580 0 μm 时,其光学传函如图7 所示。

  此时的MTF 也已经降低到500 lp/mm,也不能满足成像质量要求,因为,满足成像质量要求的最小工作距离暂认为WDmin = 18.584 7 。

  然后以同样的方式使工作距离由最佳工作距离向相反方向变化,得到最大工作距离max WD 只能为18.614 7。

  由景深的概念可知,景深由两部分组成,后景深与前景深。景深Δ =后景深+前景深,所以景深Δ = max WD − min WD 。由以上测量可以算得,此显微物镜的景深仿真测量值Δ =(18.614 7-18.584 7)=30 μm。10×(共轭距L=195 mm)显微物镜景深测量,满足成像质量要求的最小工作距离min WD 为7.275的最大工作距离max WD =7.290。因此显微物镜景深为Δ =(7.290-7.275)=15 μm。10×( f ’辅=200 mm)

  显微物镜,其最小工作距离, min WD =5.285。最大工作距离max WD 为5.299 0。则显微物镜景深Δ =(5.299 0-5.285 0)=14 μm。

  3 测量结果

  采用以上方式对其他2 个10×的显微物镜进行了景深的仿真测量。3 个同放大倍率,同数值孔径( NA=0.25)的显微物镜景深的测量可以得出,3个显微物镜最佳像面的工作距离分别为:18.594 7,7.286 0,5.297 5。而景深仿真测量值分别为:10×(∞f250):30.0 μm;10×(195):15.0 μm;10×(∞f200):14.0 μm。

  4 结 论

  测量结果显示,提出的以MTF 为评价函数,通过离焦方式对显微物镜景深进行仿真测量的方法具有一定的可行性。桂电光机电一体化研究所自主研发的显微物镜与国外知名企业生产的显微物镜景深具有可比性。通过对景深的测量,同时也验证了后景深比前景深偏大这一理论。该方法打破了以往人们对显微镜镜头景深的研究只停留在理论研究上的局面,弥补了国内空白。

  在后续的研究中,通过对10 几个自主研发的已知结构参数的显微物镜进行实际景深测量,并将这些实测数据与仿真测量值比较,验证了仿真测量值的正确性,从而可用于指导对景深有要求的显微光学系统的设计。

  参考文献:

  [1] 庄松林, 钱振邦. 光学传递函数[M]. 北京:机械工业出版社,1981.

  [2] 胡玉禧, 安连生. 应用光学[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社,2002.

  [3] 施德路, 苏莉. 景深的控制和运用[J]. 内蒙古民族师院学报(自然科学版),1999, (02).

  [4] 胡家升. 光学工程导论[M]. 大连:大连理工大学出版社, 2005.

  [5] 袁旭沧. 光学设计[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1988.

  [6] 王之江. 光学技术手册[M]. 北京:机械工业出版社, 1987.

  [7] 萧泽新. 无限远像距光学系统应用实践[J]. 广西物理, 1991, (3):32-35.

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