一种平场超复消色差长工作距离显微物镜

本发明涉及长工作距离显微物镜，具体是一种平场超复消色差长工作距离显微物镜。

背景技术：

1、平场超复消色差长工作距离显微物镜在半导体、电子、冶金等行业中使用广泛，特别是超高真空、极低温等极端环境中的样品观测中，为了获得极端的环境条件被观测样品通常被密封于带有玻璃观察窗的设备中；玻璃观察窗的厚度通常在5mm左右，样品距观察窗的距离可达10mm；现有的产品和技术无法满足此类样品的观测，如日本三丰为代表的公司生产的商用平场超复消色差长工作距离显微物镜能够补偿的最大的玻璃窗片厚度为3.5mm，其最大数值孔径为na＝0.5；现有已公开发明的长工作距离的显微物镜(专利公开号cn110308548a和cn113031240a)不能补偿玻璃观察窗片，并且用到了多个胶合透镜，导致加工成本上升、装配难度增加。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其工作距离大于15mm，对450nm到1100nm波长范围内的色差进行良好校正，在中心视场为φ<0.2mm的范围内都可达到衍射极限的分辨率，可以解决现有对厚度大于3.5mm的光学窗片像差补偿无法补偿等问题；并且此显微物镜结构简单，只采用一个双胶合透镜，便于加工组装；为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

2、一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，包括有从像方到物方沿光轴依次设置的第一光学组元、第二光学组元、第三光学组元、第四光学组元和光学窗口，所述第一光学组元为光焦度为正的透镜组；用于校正色差和球差，所述第二光学组元为双胶合弯月透镜或双凹透镜，光焦度为负；主要用于球差和场曲的校正，所述第三光学组元为光焦度为正的双凸透镜；主要用于球差的校正，所述第四光学组元包括1～3枚光焦度为正的双胶合弯月透镜，双胶合弯月透镜的凸面均朝向像方，凹面朝物方；用于提供光焦度，所述光学窗口为两面平行的厚玻璃板，垂轴于光轴放置；用于隔离观测物体；

3、所述第一光学组元的透镜组由双胶合弯月透镜和双凸透镜组成，所述双胶合弯月透镜的凸面朝像方，凹面朝物方，其折射率和阿贝系数满足1.65≤nd≤1.75且50≤vd≤60；所述双凸透镜曲率半径小的面朝像方，其折射率和阿贝系数满足1.45≤nd≤1.55且77<vd<87；

4、所述第二光学组元的双胶合弯月透镜或双凹透镜的凹面或曲率半径小的凹面朝像方，其折射系数和阿贝系数满足1.69≤nd≤1.79且44≤vd≤54；

5、所述第三光学组元的双凸透镜采用萤石材料caf2制作，当透镜的尺寸φ≤25.4时，其曲率半径小的面朝向像方，当透镜的尺寸φ>25.4时，其曲率半径大的面朝向像方；

6、设显微物镜的总焦距为f，第一光学组元的焦距为f1，第二光学组元的焦距为f2，第三光学组元的焦距为f3，第四光学组元的焦距为f4，则他们之间满足条件

7、

8、当物镜na≤0.4时，第四光学组元为一个双胶合弯月透镜；

9、当物镜0.4<na≤0.5时，第四光学组元由两个双胶合弯月透镜由像方到物方沿光轴依次放置，设由像方到物方沿光轴依次放置的两个双胶合弯月透镜的焦距分别为f41和f42，则他们之间应该满足条件：且f42<f41。

10、当物镜na>0.5时，第四光学组元由三个双胶合弯月透镜组成，设由像方到物方沿光轴依次放置的三个双胶合弯月透镜的焦距分别为f41、f42和f43，则他们之间应该满足条件：且f43<f42<f41。

11、作为上述方案的进一步改进，所述光学窗口材料为石英玻璃。

12、作为上述方案的进一步改进，所述第四光学组元的双胶合弯月透镜均由萤石材料caf2制作。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

14、本发明提供的一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，能够在450nm到1100nm的波长范围对厚度为3mm到10mm的石英玻璃窗片实现球差、慧差、色差等进行补偿，其工作距离大于15mm；同时，本发明只采用一个双胶合透镜和最多为5个的球面透镜组成，结构简单，便于加工组装；通过调整和优化第四光学组元的透镜数量和透镜尺寸，能够满足样品观测对不同数值孔径和工作距离的需求；总之，我们的设计可以通过优化实现在大的波长范围内具有厚玻璃观察窗的极端环境中的样品进行大视场范围的成像、分辨、光学操控和检测等操作的要求；附图4-6为本发明显微物镜在光学窗口厚度为d＝5mm时对应的na＝0.4,0.5和0.69时的实施例的多色波像差、多色纵向球差、像散、畸变和调制转移函数分析图以及852nm光场下的分辨率测试图；通过对比可以看出根据本发明设计的显微物镜对450nm到1100nm波长范围内的色差进行良好校正，在中心视场为φ<0.2mm的范围内都可达到衍射极限的分辨率。

技术特征：

1.一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：包括有从像方到物方沿光轴依次设置的第一光学组元(1)、第二光学组元(2)、第三光学组元(3)、第四光学组元(4)和光学窗口(5)，所述第一光学组元(1)为光焦度为正的透镜组；所述第二光学组元(2)为双胶合弯月透镜或双凹透镜，光焦度为负；所述第三光学组元(3)为光焦度为正的双凸透镜；所述第四光学组元(4)包括1～3枚光焦度为正的双胶合弯月透镜，双胶合弯月透镜的凸面均朝向像方，凹面朝物方；所述光学窗口(5)为两面平行的厚玻璃板，垂轴于光轴放置；

2.根据权利要求1所述一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：当物镜na≤0.4时，第四光学组元(4)为一个双胶合弯月透镜。

3.根据权利要求1所述一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：当物镜0.4<na≤0.5时，第四光学组元(4)由两个双胶合弯月透镜由像方到物方沿光轴依次放置，设由像方到物方沿光轴依次放置的两个双胶合弯月透镜的焦距分别为f41和f42，则他们之间应该满足条件：且f42<f41。

4.根据权利要求1所述一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：当物镜na>0.5时，第四光学组元(4)由三个双胶合弯月透镜组成，设由像方到物方沿光轴依次放置的三个双胶合弯月透镜的焦距分别为f41、f42和f43，则他们之间应该满足条件：且f43<f42<f41。

5.根据权利要求1所述一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：所述光学窗口(5)材料为石英玻璃。

6.根据权利要求1-5中任一所述一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，其特征在于：所述第四光学组元(4)的双胶合弯月透镜均由萤石材料caf2制作。

技术总结
本发明提供了一种平场超复消色差长工作距离显微物镜，从像方到物方沿光轴依次设置第一、第二、第三、第四光学组元和光学窗口，第一光学组元为光焦度为正的透镜组，第二光学组元为光焦度为负的双胶合弯月透镜或双凹透镜，第三光学组元为光焦度为正的双凸透镜，第四光学组元包括1～3枚光焦度为正的双胶合弯月透镜，光学窗口为两面平行的厚玻璃板；本发明显微镜物镜的工作距离可达15mm(包括观察窗厚度)；本发明设计的显微物镜对450nm到1100nm波长范围内的色差进行良好校正，在中心视场为φ<0.2mm的范围内都可达到衍射极限的分辨率，可广泛用于极端环境下微米尺度的微观样品的观测。

技术研发人员：李刚,张鹏飞,杨鹏飞,张天才
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13