英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
长工作距离显微镜具有低遮蔽非球面Schwarzschild物镜
摘要：对于多窗口广谱检测器的精细缝合，已经实现了具有525mm的有效工作距离的非球面Schwarzschild物镜，用于400-900nm波长范围内的无色差成像，数值孔径为0.13。 一种初始配置的分析设计的理论方法，在轴测量膨胀和波束比（OR）控制中已被控制降至4％。 与理论球形Schwarzschild物镜相比，77.5％的OR减少了对比度的改善。 copy;2014美国光学学会
当使用子孔径缝合法（例如对多窗口宽谱检测器进行成像）来测量大面积区域时，将z散焦控制在1米以内并且以适当的横向分辨率检查结构是重要的。工程距离（WD）至少为500毫米（以满足机械间隙要求），0.15微米范围内的数值曲线（NAs），源波长为lambda;=400-900纳米的显微镜，以及严格的控制彩色焦点偏移。控制色差是最大的设计约束，因为它与孔径尺寸，焦距和波长范围成比例。而且，长WD通常会导致复杂的设计和高成本。显微镜下的离轴光路补偿，特别是对于低NA系统来说，并不重要，因为视场（FOV）通常相对较小。
镜面技术已被应用于显微镜和望远镜[1]，用于无色度光学设计，使用x射线[2,3]，极紫外线[4]或红外光源[5]。然而，与基于镜头的成像技术相比，同轴反射系统具有关键问题：中心束遮蔽的存在，这显着降低了照明效率并降低了对比度。球形Schwarzschild物镜的遮蔽比（OR）在NA=0.23 [6]为19％，商业物镜（Thorlabs LMM-15X-UVV，NA=0.3和15x放大）为25％。对于物镜的设计，如何抑制OR和放大WD的问题是至关重要的，因为某些结构（例如CCD像素）的初始对比度仅为0.2-0.3。高OR会导致对比度的显着降低，最终导致较低的拼接精度。
使用非球面镜可以提供低OR，但使设计理论和制造复杂化。使用阿贝正弦和恒定光路条件的非球面Schwarzschild对象的分析设计模型在其他地方[7]。另一种设计方法是将方程拟合到表示显微镜的主镜面和次镜面的数值数据[8]。但是计算是复杂的，并且初始配置不能容易地确定。此外，OR的控制尚未包括在分析设计程序中，这在光学设计社区是一个开放的问题[9-11]。
在本文中，提出了Schwarzschild目标的分析设计方法，以便在迭代优化之前使用计算机辅助设计或使用之前确定初始配置。该讨论集中在具有低OR，大WD和400-900nm的源波长范围的无色差成像系统的设计。
如图1所示，Schwarzschild的目标是主要和次级非球面镜。同轴二次反射镜的尺寸和位置影响光束遮蔽。选择LED通道的光谱中的峰值，以与被测量的去除器阵列前面的保护窗口的带通（峰值lambda;plusmn;10nm）匹配。在其图像空间中，光纤NA应略大于施瓦茨目标的宽度，以保证足够的发光孔径并减少能量损耗。使用防护薄膜组件分光器（F39-481，Edmund Optics）分离聚焦光束。该分束器的厚度为2mu;m，因此使由聚焦产生的色差最小化。选择CCD（EI-30CE，Sony）在400-900nm的波长范围内具有高灵敏度，并具有用于低对比度观察的模拟输出。模拟输出已被数字输出替代;然而，在某些情况下，手动调整在实践中仍然有用。
为了控制光束遮蔽，OR被建模为反射镜设计过程中的约束参数，并且允许将其与其他初始设计参数相结合。
如图2所示OR可以表示为S0 / Sm。该比例反映了光束遮蔽的水平以及照明和成像期间光的阻挡。使用S0/ Sm和近轴条件的定义，可以得到以下表达式：
图 1.具有Schwarzschild对象的显微镜方案，其WD为525mm，NA为0.13，放大倍数为6.5倍。 在480,550,660和850nm的光纤照明器的光谱中有四个独立的峰。 通过使用LED来打开/关闭工作波长。 比较一个纯粹的镜面物镜的设计，要求使用二次成像，使用蔡司EC Plan Neofluar物镜，0.075 NA和2.5倍放大倍数，可以放大放大倍率，并减小机械尺寸 目的是缩短其光程长度。 观察小型结构需要较大的补偿，不符合相机的像素尺寸。 匹配管镜是型号。 来自Edmund Optics的58-395和LED由OPT公司定制。 系统放大倍数为16.25倍（= 6.5times;2.5）。 CCD像素大小为6.5 pmtimes; 6.25 pm。
图2. Schwarzschild目标的参数方案。 主镜和次镜分别以O和I的极点坐标（rho;，theta;）和（r，u）表示，距离PQ为l。两个镜像顶点在rho;=rho;0和r = r 0。镜面顶点距离为l 0。theta;和u的最大值分别为theta;m和u m。 在最大光圈角度theta;m和u m内的次级和初级反射镜的面积是S 0和S m。
如图1所示。p0 - l0是WD和次镜厚度之和。 使用方程（1），如果放大率m变得无限大，则S0 / Sm将接近零。然而，由于有限的机械空间和约束参数r0，m不能变得无限大。如果p0固定，r0将随m增加。首先，应根据测量任务的要求确定S0/Sm，m和p0-10。然后，r0和p0可以根据制造经验进行优化。r0和p0的较大值通常在表面计量应用中是可能的。
已经选择了rho;0，l0和r0，非球面参数，如曲率c，圆锥常数k和高阶系数alpha;i（i = 1,2,3，...）可以是 根据Zernike下垂函数计算：
其中a是透镜单元中的径向坐标。 主镜的模型[8]由...给出
其中K =（p0 r0）/ l0，alpha;= mx /（Mk-1），beta;= m /（m-K），gamma;=costheta; （m2-sin2theta;）1/2。 相应的二次反射镜方程在[7]中给出，但在此省略，因为它具有与方程式非常相似的形式。 （3）。 在0 = 0时，泰勒级数的扩展表示设置的轴上性能。 目标NA为0.13，因此这个客观设计很有价值。 半孔径角仅为7.5°。 阿贝正弦和恒定的光路条件非常吻合，离轴像差不会显着增加，因为NA足够小。 然而，对于高NA目标的设计，使用这种建议可能仍然是合理的，以加速初始配置的模拟。 镜像几何可以有限的形式分析确定。 然而，上述等式太复杂，不能使用公式获得c和k。 （2）。、
如果用一个二次非球面方程代替一个平面球方程，则可以用圆锥项表示主镜面方程; 从而
其中= 1 / c和k1是先验镜的圆锥常数。 重写方程 （4）在极坐标中，一个新的等式，相当于等式 （3）：
其中omega;=（1-k1）r02-2R1r0。 为了确定曲率半径R1和圆锥常数k1，方程 （3）
和（5）都在theta;= 0时扩展为泰勒级数，假设在等式的扩展中低阶项的对应系数相等。 （3）和（5）。可以推导出一阶和二阶项的系数。 可以使用曲率半径R1 [10]和圆锥常数k1来确定。
此外，可以以类似的方式确定副镜的顶点半径R2 [10]和二次曲线常数k2的表达式：
其中alpha;= MK /（MK-1），beta;= M /（M-K），M = 1 / m。
方程（6） - （9）能够确定rho;0，l0，r0，R1,2和k1,2，无需迭代数值优化。 （6）和（8）是新的，而方程 （7）和（9）也是有帮助的，尽管复杂性，因为用户不需要从经验确定k 1,2。注意，只有在允许和改进更高的制造成本时，才建议更高阶系数alpha;i 性能是期望的。 这些变量可以在进一步的计算中进行优化，例如与ZEMAX模拟一样，但是它们在当前设计中是不必要的。 在制造方面，不推荐使用金刚石车削技术，因为对于短波成像而言，粗糙度目前不足。 然而，可以使用传统的抛光技术。
对于显微镜的设计，通过考虑对可接受的对比度降低，成像分辨率的要求，目标值设定为S0 / Sm = 4％，NA = 0.13，m = 6.5，FOVle;0.3mm，WD = 525mm ，放大倍率以及表面距二次镜的后方参考距离。为了平衡镜面制造的问题和对紧凑的机械空间的需要，rho;0-l0 = 550mm，l0 = 190mm，r0 = 715mm。 方程（6） - （9）用于计算镜像参数。 理论结果列于表1。
中继成像平面是连接Schwarzschild物镜和次级透镜的内部成像平面，如图1所示。 优点函数不用于迭代优化。
为了简化制造，将反射镜设置为四边形轮廓而不使用alpha;i。 在表1中，均匀非球面的半径对应于R1和R2，而圆锥项具有正好为k1和k2的值。从0到-1的圆锥值表示两个偶数非球面都是椭圆形镜子。 这些值通过使用等式计算。（6）-（9）。
ZEMAX仿真结果如图1所示。 如图3所示，表1中列出的设计的调制传递函数（MTF）与理论衍射极限重叠。 这提供了方程式的验证。 （6）-（9）计算机辅助优化前的合理初始参数。 方程（6）-（9）也是确定匹配非球面如何有助于进一步像差控制的潜在工具，如昏迷的最小化。 在这种设计中，两个反射镜都是二次的，所以没有高阶系数被存在，而当NA大于0.13时可能需要alpha;i来补偿离轴像差。
在图 3，所有曲线与其衍射极限重叠，并在物体空间中以542lp / mm截止。 与曲线A相比，曲线C的MTF振幅降低了41％，为200 lp / mm，在300 lp / mm至542 lp / mm范围内略有增加。 从经验来看，低频和中频的MTF的低幅度将导致模糊的图像，而高频的高频MTF将导致更清晰的边缘。对于这里缝合的CCD，像素和微距 电路线对比度为0.2-0.3。 因此，曲线C的中心部分太弱，不能检查像素和线。 高频MTF的增强对这里的要求有限。 曲线B在200 lp / mm时的MTF值约为0.41，比曲线A低13.9％，高于曲线C的45.4％。曲线B更接近曲线A。
图3使用ZEMAX软件分析对象空间中的MTF。 （a）没有中心障碍的理想物镜的MTF。 （b）表1中列出的非球面Schwarzschild目标的MTF。（c）基于Schwarzschild目标的两个球体的MTF，S0 / Sm = 17.8％。 这个球面目标是作者的最佳设计，提供了与曲线B相同的NA和WD的可比较的示例。模拟在半FOV = 0,0.2和0.3mm进行，lambda;= 480,550,660和850 nm。
已经使用由熔融二氧化硅制成的稳定的反射镜，低膨胀材料，以减少对严格温度控制的需要，并且在缝合期间将图像平面保持在1微米以上。 主镜厚度直径比约为1：8。 初级和次级表面的峰谷值分别为84和77 nm。 两个镜子都涂有铝，以在400至900 nm的光谱范围内实现高反射率，最后添加了一种额外的抗氧化涂层，可持续使用。 由于次级镜的偏心会产生大的像差，所以将镜头组装在一个额外的检查CCD下，以帮助将倾斜度补偿到10mu;m，倾斜角度低于0.006°。 美国空军（USAF）的一个标准的1951年标准分辨率图用于协助和测试装配。 美国空军图可用于使用5-10mu;m范围内结构的对比度测试。
LED后照灯放置在美国空军目标后面进行对比度测试[图4（a）]。 图像在中继图像平面上重新连接。 如图所示。 如图4（a）所示，图案（102lp / mm）以高对比度解析。 选择102 lp / mm线作为典型尺寸结构的对比测试，不测试分辨率的极限，但是为了研究由于弱像素对比度，电路线的微观尺寸引起的拼接检查的难度， 和大的WD。 使用次级透镜来获得更大的放大倍数，更大的精确定位范围，并且在长时间观察期间减少眼睛疲劳。 图4（b）给出了像素尺寸为14mu;mtimes;56mu;m的线CCD的检查结果。像素和微电路都被清楚地识别，小节点网格也是这样。此外，通过与图3中的理论曲线B相比，经验MTF将是一个值得欢迎的补充，以显示制造难度的水平。
总之，非线性的Schwarzschild物镜显微镜具有低遮蔽性，已被实现，用于lambda;= 400-900nm，NA = 0.13和WD = 525mm的多光谱检测器的精确缝合测量。 WD是镜头式显微镜的10倍以上。 已经提出了初始配置的分析设计方法，通过轴上泰勒级数扩展进行建模，并将OR控制在4％以下。 最后，方程式（6）-（9）可用于二次反射镜的设计，但高阶系数alpha;i
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[27706]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
课题毕业论文、文献综述、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
