適用顯微鏡質量測試的高分辨率測量鏡頭設計

梅培俊, 許 鍵,2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093;2.賓夕法尼亞州立大學 工程科學系, 賓夕法尼亞 16802)

適用顯微鏡質量測試的高分辨率測量鏡頭設計

梅培俊1, 許 鍵1,2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093;2.賓夕法尼亞州立大學 工程科學系, 賓夕法尼亞 16802)

利用Zemax光學設計軟件設計了一款適用于光學成像尺寸為38 mm的互補金屬氧化物半導體(CMOS)型工業相機的高分辨率測量鏡頭,該工業相機用于自動化定量分析檢測顯微鏡像差。通過數碼圖像處理的方式去評判顯微鏡物鏡性能的好壞。在滿足性能要求基礎上,對普通的測量鏡頭結構加以優化,使得測量鏡頭擁有非常高的分辨率。該鏡頭焦距為36 mm,后工作距約為32 mm,視場像面高度為36 mm,在90 lp/mm處,中心視場調制傳遞函數(MTF)值大于0.45,邊緣視場MTF值大于0.25。

光學設計; 顯微鏡質量測試; 像質評價

引 言

光學顯微鏡是一種用于觀察微觀物體的光學儀器,是人類進入到微觀原子時代的標志。隨著制造技術的蓬勃發展,顯微鏡除了顯微顯示,還廣泛應用于電子、生物、軍事、教育和醫療等各個領域。從檢測微電子電路的焊點好壞到生物學上的細胞分子觀察,顯微鏡的使用隨處可見。生命科學的快速發展,對顯微鏡的要求越來越高,為了保證顯微鏡成像質量,需要有簡便有效的測量手段。現階段鏡頭的檢測一般是在設計之初進行模擬分析,成品之后進行檢測,如顯微鏡物鏡鏡頭的色差、像散、畸變等,需要一些專業人員利用相關檢測板進行人工檢測。目前我國的精密顯微鏡制造及檢測技術還不夠全面,所以給生產制造和產品檢測增加了一定的難度。為此本文利用Zemax軟件設計了一款基于機器視覺的能定量檢測顯微鏡像差[1]以及分辨率的工業相機測量鏡頭。

1 系統結構

1.1測量系統的結構

圖1為顯微鏡質量測量系統,測量系統由待測顯微鏡,工業相機(由測量鏡頭和CMOS圖像傳感器組成),測量控制軟件等構成。通過支架和相關夾具將工業相機與待測顯微鏡目鏡鏡頭進行固定。為了不使工業相機測量鏡頭引入新的像差和降低系統的分辨能力,該測量鏡頭采用雙高斯型復雜化的結構形式,復雜化的目的主要是減小軸上高級球差和軸外球差,同時為了提高該測量鏡頭的MTF值,達到系統要求的分辨率。

1.2測量鏡頭設計要求

設計要求:像面采用CMOS圖像傳感器,其尺寸約為38 mm;要求測量鏡頭將顯微鏡眀場圖像正好成像在CMOS的圖像傳感器上面,像面大小略小于圖像傳感器光敏面大小,保證通過測量鏡頭拍攝后的圖片保留邊緣4個弧形暗角,如圖2所示。

圖1 顯微鏡質量測量系統Fig.1 Microscope quality measurement system

圖2 視場邊緣弧形暗角Fig.2 The black corner of the field of view

由于該測量鏡頭用于測量顯微鏡分辨率和相關像差,在測量過程中需要分別測量不同波長下的顯微鏡的像差。實測時分別使用了紫色、藍色、綠色、紅色濾光片,各濾光片對應的中心波長分別為436 nm、480 nm、546 nm、644 nm。為了滿足實際需求,采用該4種波長對測量鏡頭進行優化設計。

顯微鏡質量測量系統采用了美國illunis工業相機[2],提供7 000萬像素級別的分辨率。圖3為CMOS的角度響應特性曲線。

由于CMOS圖像傳感器的角度響應特性曲線限制,隨入射光與光敏面夾角的變大,其響應幅度減小。為了使所設計鏡頭完全包括顯微鏡最大視場同時又能滿足CMOS光學傳感器最佳的成像效果,同時考慮到CMOS光敏面自身的微透鏡矯正和不矯正的兩種情況,結合實際設計要求,保證角度響應在80%以上,其主光線入射角度需要控制在10°之內。又因為工業相機機械結構限定,后工作距需在32 mm左右。為了使該測量鏡頭與顯微鏡目鏡鏡頭的光瞳匹配,測量鏡頭的入瞳尺寸控制在3.5～4.0 mm范圍。

圖3 CHR70M角度響應特性曲線Fig.3 The angular response characteristic curve of CHR70M

CMOS光敏面芯片尺寸約為38 mm,為了充分利用CMOS芯片的成像面,需根據測試時所用的顯微鏡目鏡參數合理設置測量鏡頭焦距。目鏡參數如表1所示。

因為顯微鏡目鏡的出射光為平行光,原理圖如圖4所示,根據幾何關系可知,工業相機CMOS光敏面接收圖像尺寸與目鏡前端中間實像面尺寸(即顯微鏡目鏡的物面尺寸)關系為

(1)

表1 目鏡參數Tab.1 Eyepiece parameters

圖4 原理圖Fig.4 Schematic diagram

因為后期數字化圖像處理算法的要求,測量時拍攝的圖像必須存在如圖1所示的4個弧形黑色暗角,以用于計算顯微鏡明場范圍中心,所以最終顯微鏡全視場像面必須略小于CMOS光敏面。由于我們使用的顯微目鏡放大倍率為12.5倍,h為20 mm,所以,為了滿足所成圖像盡量填滿整個CMOS光敏面,同時保證4個弧形暗角的存在,由式(1)得,該工業測量鏡頭的焦距定為36 mm。

對于工業相機來說,整個系統的分辨率包括鏡頭的分辨率和芯片提供的分辨率,為了保證系統能夠匹配,測量鏡頭的分辨率設計必須結合CMOS芯片的分辨率,芯片的分辨率可以根據如下公式計算:

(2)

由于手術顯微鏡在物鏡角放大率最小的情況下,物鏡之后的成像最大的分辨率為177 lp/mm,但是由于經過目鏡和攝影透鏡成像在CMOS芯片上時,其圖像放大約為2倍,即工業相機上需要提供的分辨率為

(3)

因為是通過相機拍攝斑點圖來評價顯微鏡物鏡性能,在不影響其拍攝質量的情況下,結合上述分析,將測量鏡頭的分辨率設計要求定為90 lp/mm。

2 設計過程

2.1選擇初始結構

由于該鏡頭為檢測顯微鏡相關像差的鏡頭,對鏡頭本身要求較高,故選用雙高斯復雜化的結構形式,并將光瞳位置設置在雙高斯鏡頭的中間位置,該結構消像差的能力較強,既能有效地減小軸上高級球差又能減小軸外球差。根據系統的要求,顯微鏡目鏡岀射光線為平行光,故該測量鏡頭的物處于無限遠處,同時該無限遠的物體又通過測量鏡頭成像在CMOS光敏面上。類似于閉路電視的成像物鏡[3],實質上是照相物鏡,因物體位于測量物鏡的無限遠,其像面即焦平面與CMOS光敏面重合。根據文獻[4]照相物鏡移植應用的研究,該工業相機測量鏡頭最佳選擇是對已設計好的照相物鏡進行移植應用,主要是選用雙高斯及其復雜化的結構形式。從光學鏡頭手冊中選擇NO.01-00-010大相對孔徑雙高斯型照相物鏡[5]作為初始結構,該物鏡焦距為100 mm,后工作距為73.42 mm,F數為1.4,視場角2w=±22.5°,如圖5所示。

圖5 大相對孔徑雙高斯型照相物鏡Fig.5 Large relative aperture double Gaussian photographic objective lens

2.2優化過程

初始結構僅僅在大相對孔徑雙高斯型照相物鏡上添加了1片透鏡,由7片式改進為8片式,其目的是平衡光焦度,但是依然不符合設計要求,需要作進一步的改進。首先,對初始結構進行焦距縮放,直至達到要求的焦距f=36 mm,然后根據顯微鏡出瞳的大小,設置該物鏡入瞳直徑為4 mm,同時加入4個視場進行分析。由于初始結構與我們的目標設計參數相差甚遠,所以在現有的結構參數的基礎上設置新的優化函數進行優化。通常是利用Zemax軟件默認的評價函數進行優化,優化參數如下:

(1) 為了控制焦距必須添加EFFL操作數,又因為CMOS光敏面與鏡頭的最后一面距離被工業相機機械結構限定,設定后工作距為32 mm。

(2) 因為測量系統需要測量顯微鏡的畸變、像散,測量鏡頭需要滿足更好的像質,故需要添加控制畸變、像散的操作數[6]DIST、ASTI,另外光線入射到CMOS光敏面的角度應控制在10°以內,添加了RAID來進行控制。

(3) 還有一些球差[7]、MTF值的優化,為了使測量鏡頭滿足測量要求,其測量鏡頭必須匹配整個系統的球差要求與分辨率的要求,引入了SPHA、MTFT、MTFA、MTFS等操作數進行優化。

(4) 為了更方便控制,同時還引入了數學操作數,如絕對值、乘積、大于、小于等。此外結構方面考慮到加工工藝的限制,對透鏡中心厚度、邊緣厚度、最小空氣厚度等都進行了控制和優化[8]。

3 設計結果與像質評價

經過反復修改和優化,最終得到一個性能優良且完全滿足設計要求的測量鏡頭結構。測量鏡頭最終的結構如圖6所示。優化后的系統焦距為35.961 mm,后工作距約為32 mm,孔徑光闌位置距離透鏡前表面約為12 mm。測量鏡頭的入瞳直徑為4 mm,完全匹配顯微鏡最大岀瞳直徑,因此保證顯微鏡目鏡岀射光線能夠完全進入該物鏡[9]。足夠的后工作距保證了系統裝配的便捷,降低了后續機械結構的設計難度。系統岀射光線的最大角度為8.843°,根據上述CMOS角度響應特性曲線要求,保證了CMOS的轉化效率處于一個較高的線性響應區域。和最初的選型結構相比,優化之后的結構由于改成了8片式結構,對于平衡光焦度,控制像差等都起到了一定的作用。

圖7為優化后的測量鏡頭MTF曲線圖,且比7片式原始結構MTF值提高了很多。優化后,在鏡頭分辨率為90 lp/mm處,系統的中心視場MTF值達到了0.45以上,邊緣視場的MTF值也在0.25以上,達到了測量顯微鏡系統的設計要求,且不論是圖像的銳度還是對比度都能完全滿足[10]。圖8為測量鏡頭的點列圖,在各視場處,點列圖均方根半徑均處于愛里斑的范圍內,滿足設計要求。

圖6 優化后的結構Fig.6 The optimized structure

圖7 優化后系統的MTF曲線Fig.7 The optimized MTF

圖8 優化后系統的點列圖Fig.8 The optimized spot diagram

3 結 論

通過Zemax光學設計軟件對8片式測量鏡頭進行了優化設計,得到了一個主光線角度(入射到CMOS光敏面上的最大光線角度)小于10°的光學系統,在90 lp/mm處中心視場的MTF值大于0.45,邊緣視場的MTF值大于0.25,鏡頭各視場的點列圖均方根半徑均小于3 μm,處于愛里斑的范圍內。孔徑光闌位置距離透鏡前表面約為12 mm,較短的距離可以更好地與顯微鏡光學系統進行耦合。測量鏡頭的成像面積正好略小于CMOS圖像傳感器面積,可以看見四個弧形暗角,該測量鏡頭可以用于高倍顯微鏡物鏡鏡頭的定量化檢測與測量。由于測量鏡頭的所有透鏡均采用易加工的球面,大大降低了生產難度和成本。本文的設計對評價顯微鏡像差起到了積極的作用,也為其他成像系統的像差檢測提供了參考。

[1] 胡慧杰.大數值孔徑生物顯微物鏡雜散光分析及測量[D].長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2015.

[2] 王旭東,葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發展趨勢[J].電子設計工程,2010,18(11):178-181.

[3] 蕭澤新.工程光學設計[M].3版.北京:電子工業出版社,2014:134-139.

[4] 蕭澤新.照相物鏡移植應用的研究[J].光學技術,1999(4):78-81.

[5] 福建光學技術研究所,國營紅星機電廠.光學鏡頭手冊(第1-10冊)[M].北京:國防工業出版社,1980-1992.

[6] 高志山.ZEMAX軟件在像差設計中的應用[M].南京:南京理工大學出版社,2006:47-53.

[7] 姜洋.共形光學系統像差校正研究[D].長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2013.

[8] 宮廣彪.超光譜成像儀前置成像物鏡設計[D].蘇州:蘇州大學,2009.

[9] 李湘寧,賈宏志,張榮福,等.工程光學[M].2版.北京:科學出版社,2010:74-83.

[10] 邢新華,張鍔.照相物鏡的像質評價及其光學傳遞函數的測定[J].哈爾濱師范大學:自然科學學報,1993,9(1):34-39.

Highresolutionmeasurementlensdesignformicroscopequalitytesting

MEI Peijun1, XU Jian1,2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.Department of Engineering Science, the Pennsylvania State University, Pennsylvania 16802, USA)

A high-resolution measurement lens for a complementary metal-oxide semiconductor(CMOS) industrial camera with an optical imaging size of 38 mm was designed using the Zemax optical design software.The industrial camera was used for automated quantitative analysis to detect microscopic aberrations.The performance of the microscope objective lens is judged by the digital image processing method.On the basis of satisfying the performance requirements,the ordinary measurement lens was optimized,and the lens structure was optimized so that the measurement lens has higher resolution.The effective focal length of the system is 36 mm.Back working distance is about 32 mm,the field-of-view height is 36 mm.At 90 lp/mm,its modulated transfer function(MTF) of center field is greater than 0.45 and the MTF value of edge field is greater than 0.25.

optical design; microscope quality test; image evaluation

1005－5630（2017）05－0064－06

2017-02-20

梅培俊(1992—),男,碩士研究生,主要從事光學設計和圖像處理方面的研究。E-mail:1019947066@qq.com

許 鍵(1970—),男,教授,主要從事半導體發光器件方面的研究。E-mail:jxu_opto@163.com

TN 202

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.011

(編輯:劉鐵英)