一种长工作距离的数字显微光学成像装置的制作方法

本发明涉及光学成像技术，特别是一种长工作距离的数字显微光学成像装置。
背景技术：
：显微镜的应用十分的广泛，它不仅能够应用在生物学领域，在其他医学、天文学、材料学等科学领域也发挥着举足轻重的作用。正因为显微镜扮演着如此重要的角色，才使得科研领域的每一次革新都离不开它，所以显微镜就成了科学发展的重要标志，也成了检测领域及工业生产中得到了广泛的应用。但当工件处于比较恶劣的环境下，显微镜需较长的工作距离上对被测工件表面进行高分辨率成像，以观察待测样的变化情况，例如对金属的热膨胀现象等进行观测。现有的显微成像系统一般物距很小，难以满足长工作距离成像的要求。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种长工作距离的数字显微光学成像装置，解决工业动态测量中存在的显微镜工作距离短、分辨率低等问题。实现本发明目的的技术解决方案为：一种长工作距离的数字显微光学成像装置，包括光学系统，位于所述光学系统出瞳的ccd组件，以及连接光学系统和ccd组件的镜筒装置；所示光学系统包括双凹透镜、第一双胶合凸透镜以及第二双胶合凸透镜；所述第一双胶合透镜物面为负透镜面，像面为正透镜面；所述第二双胶合透镜物面为负透镜面，像面为正透镜面；所述镜筒装置中，ccd与相机套筒相连接，并通过螺纹圈连接ccd组件与镜筒，双凹透镜、第一双胶合凸透镜以及第二双胶合凸透镜一起放置于镜筒中，并通过固定位置挡片固定透镜。与现有技术相比，本发明的显著优点为：本光学系统为了实现成像的长工作距离环境和图像分辨率，通过调整各个透镜的选型和光学间隔，以满足成像分辨率1292×964的工业相机的搭配要求；该光学系统具有长工作距离和高分辨率成像等特点，可以应用于工业领域中非接触检测。附图说明图1是长工作距离显微光学系统的光路图。图2是长工作距离显微光学系统的点列图。图3是长工作距离显微光学系统的波像差图。图4是长工作距离显微光学系统机械结构图。图5是光学系统机械结构横切截面图。图6是分辨率板的100线宽位置的4个条纹图案的图像采集结果示意图。具体实施方式一种长工作距离的数字显微光学成像装置，包括光学系统，位于所述光学系统出瞳的ccd组件，以及连接光学系统和ccd组件的镜筒装置；所示光学系统包括双凹透镜、第一双胶合凸透镜以及第二双胶合凸透镜；所述第一双胶合透镜物面为负透镜面，像面为正透镜面；所述第二双胶合透镜物面为负透镜面，像面为正透镜面；所述镜筒装置中，ccd与相机套筒相连接，并通过螺纹圈连接ccd组件与镜筒，双凹透镜、第一双胶合凸透镜以及第二双胶合凸透镜一起放置于镜筒中，并通过固定位置挡片固定透镜。所述ccd相机与双凹透镜间的光学距离为25.65mm；所述双凹透镜与第一双胶合凸透镜的光学间隔为5.6mm；所述第一双胶合凸透镜与第二双胶合凸透镜间的光学间隔为340mm；所述第二双胶合凸透镜与待测样间的光学间隔为414.515mm。所述双凹透镜的中心厚度为3±0.1mm；第一双胶合凸透镜的正透镜中心厚度为6±0.1mm，负透镜中心厚度为2.4±0.1mm；第二双胶合透镜的正透镜中心厚度为3.6±0.1mm，负透镜中心厚度为2.5±0.1mm。进一步的，所述ccd组件中，相机型号为mer-125-30um，使用c-mount接口用于光学显微组件与ccd的耦合，实现显微图像拍摄。进一步的，所述双凹透镜在目镜出瞳处通过螺纹压圈固定，并通过隔圈保证两个透镜间的距离，所述第二双胶合凸透镜通过螺纹压圈固定在镜筒入瞳处，所示镜筒套圈起到保护作用，放置镜筒变形。进一步的，为了减少反射光，镜筒内壁采用哑光黑处理长工作距离光学系统特点：由于传统的长工作距离光学系统具有较小的视场，因此有较小的垂轴像差。但因系统的工作距离和数值孔径较大，所以会对轴向像差产生较大的影响，故应对长工作距离光学系统的轴向像差进行校正。(1)球差和位置色差的校正。本发明所述光学系统采用凸凹透镜组合来校正球差和位置色差，组合光学系统的位置色差要比单一透镜组的位置色差小。(2)场曲的校正。本发明所述光学系统采用组合显微镜进行场曲校正，由于组合显微镜是由前组凸透镜与后组凹透镜组成，故其光焦度为正、负光焦度分离，符号相反，因而组合系统的场曲要比单一透镜的场曲小。(3)像散的校正。本发明所述光学系统在选择初始结构时，使正组中存在双胶合透镜系统，从而可产生符号相反的像散，来抵消系统的原有像散。但同时可能会产生一些高级像差，为了使高级像差减少，本发明所述光学系统选择玻璃折射率差和色散差尽量大的胶合透镜。下面结合附图和实施例对长工作距离光学系统作进一步说明。实施例光学结构设计部分：请参考图1，本光学系统的显微镜片组件的光路图，包括自右向左依次设置于主光轴上的双凹透镜、消色差双胶合凸透镜一以及双胶合凸透镜二；其中，所述双凹透镜直径φ为25.4mm，为bk7材料制作，且中心厚度为3±0.1mm，边缘厚度为5±0.1mm；所述透镜一和透镜二均为正透镜与负透镜粘接而成的消色差透镜；所述透镜一直径φ为25.4mm，双凸采用n-bk7材料制作，弯月采用h-zf2材料制作，透镜中心厚度为8.4±0.1mm，边缘厚度为6.85±0.1mm。物面为负透镜的正弯月面，像面为正透镜的正弯月面。所述透镜二直径φ为25.4mm，双凸采用bk7材料制作，弯月采用sf5材料制作，透镜中心厚度6.1±0.1mm，边缘厚度为5.1±0.1mm。物面为负透镜的正弯月面，像面为正透镜的正弯月面。所述ccd相机与双凹透镜间的光学距离为25.65mm；所述双凹透镜与透镜一的光学间隔为5.6mm；所述透镜一与透镜二间的光学间隔为340m；所述透镜二与待测样间的光学间隔为414.515mm。上述实施结构的镜片组具体结构数据如表所示：表面类型曲率半径各表面间距(mm)透镜直径(mm)物面414.5151标准面2标准面119.7583.625.43标准面-90.6162.525.44标准面-277.77334025.45标准面76.812625.46标准面-55.6212.425.47标准面-162.7225.625.48标准面78.032325.49标准面-78.03225.6525.4像面如图2，可见最大视场处的点列图均方根半径为13.215μm，弥散斑大部分处于艾里斑内，由图3可见，波前图中ptv距离接近1/4波长，rms值接近1/14,本实施例综合相差和像质均达到要求。机械结构设计部分：如图4所示，所述ccd相机通过螺纹圈与光路镜筒相连接，组成光学系统，镜筒所用零配件与三张镜片处于同心轴，光学系统组件中心距离总长415mm，总质量约为503g，c-mount接口将光学系统组件与ccd耦合，实现显微图像拍摄。图5为光学系统装置横切图，所述ccd相机组件1通过相机套筒2与光学镜筒6套接在一起，所述镜筒6为图中所示，镜筒外壁口径为32mm，内壁最窄口径为21.4mm，最窄处总长度为340.5mm，以固定两片双胶合透镜间距离，所述镜筒放置镜片位置的内壁口径为25.4mm。所述双凹透镜3、双胶合透镜一4以及双胶合透镜二7分别放置在图示位置，所述ccd镜头与双凹透镜3镜面中心间距为24.5mm，所述双凹透镜3在目镜出瞳处通过螺纹压圈9固定，并通过隔圈5(宽度为4.91mm)保证两个透镜间的距离，所述双胶合透镜二7通过螺纹压圈10固定在镜筒入瞳处。在此基础上，对光学系统分辨率进行验证，利用光学系统装置在约414mm距离，对准gcg-020101型分辨率板的100线宽位置的4个条纹图案进行图像采集，得到图6的图像采集结果，分辨率板最小可分辨0.0025mm，100线宽对应分辨率为10μm，达到了成像系统分辨率10μm的指标。当前第1页12