一種5倍暗場金相物鏡的設計

摘" 要：為解決現有5倍暗場金相物鏡照明亮度低且不均勻的問題，采用一體化設計新方法。首先通過選擇光學結構，在光學設計軟件ZEMAX中合理設置操作數，利用光學軟件設計優化出光學系統；然后依據暗場照明約束條件設置反射光線，利用CAD軟件設計出反射曲面。通過光學傳遞函數、暗場照明光束利用率、光斑尺寸和光斑均勻度等參數對物鏡性能進行評價。結果表明新5倍暗場金相物鏡像質優良、視場明亮均勻，新的設計方法可行。

關鍵詞：暗場；金相物鏡；ZEMAX；光學傳遞函數；光學系統

中圖分類號：TH742 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0125-04

Abstract： In order to solve the problem of low brightness and uneven illumination of the existing 5-fold dark field metallographic objective lens， a new integrated design method is adopted. Firstly， the optical system is optimized by selecting the optical structure and setting the operands reasonably in the optical design software ZEMAX， then the reflected light is set according to the dark field lighting constraints， and the reflection surface is designed by using CAD software. The performance of the objective lens is evaluated by optical transfer function， dark field illumination beam utilization， spot size， spot uniformity and other parameters. The results show that the image quality of the new 5-fold dark field metallographic object is excellent， the field of view is bright and uniform， and the new design method is feasible.

Keywords： dark field; metallographic objective; ZEMAX; optical transfer function; optical system

我國是全球印刷電路板（PCB）的生產制造大國，印制電路上出現斷開、錯位、雜質或者外觀缺陷，都會給產品調試和使用留下隱患，必須依靠高效的檢測設備將這些質量問題檢查出來，才能避免造成巨大的損失。常見的檢測裝置多以金相顯微光學成像系統為基礎，以圖像識別為手段，在采集光學顯微圖像后，進行圖像分析和識別，判斷電路板是否符合加工要求。檢測過程一般有2種觀測方式，分別是明場和暗場照明成像。在檢測焊點、過孔或者芯片表面時，普通明場觀測方式常受標本表面反射雜散光等影響，采集到的光學圖像質量欠佳，造成系統誤判，整體效果不佳。暗場成像方式能提高顯微鏡的實際分辨能力和襯度，更加有利于PCB缺陷檢測，目前市場上常見高檔金相顯微鏡的核心部件是暗場金相物鏡，提供明暗場2種觀測方式。

國內外市場上高性能的暗場金相物鏡的價格高，主要原因是成像系統和暗場照明系統設計復雜。成像系統需要設置更多的鏡片來矯正像差，其中一些光學鏡片的折射率或者色散系數特殊，整體價格較高。此外決定照明效果的暗場反射曲面設計周期長，過程煩瑣，這都導致暗場金相物鏡價格居高。為此，研究開發一款成本較低、成像效果優良、暗場照明均勻的暗場金相物鏡顯得十分必要。

1" 暗場金相物鏡工作原理

目前國內市場明暗場正置顯微鏡多是在正置金相顯微鏡基礎上，利用已有的明場照明，增設了暗場照明裝置，再配置特殊的暗場金相物鏡，使用時通過切換裝置來實現不用照明條件下的觀察。暗場和明場觀測時使用同一束光線和物鏡，暗場金相物鏡的型號有5×（BD）、10×（BD）、20×（BD）、40×（BD）和100×（BD）等，提供光學成像和暗場照明用。

明場顯微觀測時，照明光線通過物鏡垂直照射到待測標本表面，標本上的反射光再進入物鏡，經過物鏡內部光學鏡片后成像，在這個過程中待測PCB表面反射光容易進入主光路，成為雜光，降低物鏡的成像質量。

暗場顯微觀測利用丁達爾效應，最大的優點是有較高的分辨率，最小觀測尺寸可以達到200 nm左右。暗場物鏡工作原理如圖1所示。觀測時照明光源經過聚光系統、視場光闌、切換裝置和環形反光鏡后入射到物鏡后端面，照明光被一個環形的光闌遮擋；遮擋后的光束不能直接通過物鏡的中心照射在標本上，而是變成一個環狀光束，通過物鏡內環形空腔后傾斜照射在標本表面[1]。因為環狀照明光束在物鏡的有效通光孔徑外面，只有標本表面的缺陷對入射光發生散射作用后，不同方向上的散射光線能進入物鏡產生散射像，顯示出缺陷輪廓。如果標本表面沒有缺陷或者雜質，在暗視場就沒有散射光，視場是黑暗的，因此稱為暗視場。使用暗場觀測可以觀察到標本上普通明場看不到的缺陷和瑕疵。

2" 暗場金相物鏡成像設計

無窮遠平場5倍暗場金相物鏡光學性能指標：①工作距離20 mm、齊焦距離45 mm；②放大倍率5倍、數值孔徑0.12；③無限共軛距、管徑180 mm、22 mm視場。在保證物鏡光學性能的同時，綜合兼顧成本因素。

使用ZEMAX光學軟件進行光學系統設計前，選用一個庫克三片式鏡頭作為初始結構，選用雙膠合透鏡作為其后組。優化過程中首先將計算出的尺寸初始結構輸入到ZEMAX仿真軟件中進行系統仿真，其次對仿真圖進行分析；發現該光學系統所成的像并未達到理想的效果后，再對該光學系統選擇參數，進行合理的優化，使得該物鏡系統所成的像逐步達到理想的狀態[2]。優化前對一些核心的變量進行約束，包括：①物鏡光學鏡片之間的空氣間隙；②光學玻璃的材料和玻璃厚度；③光學鏡片的曲率半徑等。設置評價函數對系統放大倍率PMAG操作數和物鏡長度TOTR操作數進行了約束，然后運行自動優化程序進行像質優化。優化過程根據光學傳遞函數（MTF曲線）及點列圖來分析像質，不斷調整操作數的權重來優化系統，直到最終達到設計指標要求[3]。

通過優化得到5倍金相物鏡鏡片的曲率、空氣間隔、玻璃材質數據，形成ZEMAX仿真的光路，如圖2所示。按照從左到右的順序前組是一個雙凸透鏡，中組是一個雙凹透鏡，后組是一個膠合透鏡。第一個鏡片的材質為H-K9L玻璃，厚度為5.5 mm；第二個鏡片的材質為LF4玻璃，厚度為2.0 mm；第三個鏡組由BAK5和KF11兩種光學玻璃膠合組成，厚度分別是2.0 mm和3.3 mm。前組與中組之間的空氣間隔為3.5 mm，中組與后組之間的空氣間隔為4.2 mm，光闌設置在后組最后一個面上。各鏡片的曲率經過優化并套用鏡片加工公司提供的樣板庫曲率數據，提高生產加工效率。

圖2中標本發出的光線進入物鏡，光線又依次經過物鏡的前組、中組、后組和光闌后形成平行光線，平行光再經過金相顯微鏡系統內一個焦距為180 mm的管鏡鏡片，會聚成一個清晰的標本像呈現在目鏡的光闌面，實現標本細節的顯微放大。之后再借助普通目鏡就可以看到清晰的標本像，也可以在目鏡光闌處放置CCD或者CMOS成像芯片，獲取顯微數碼圖像，通過軟件進行對比分析檢測。

系統經過優化后的光線扇形分析圖表示了像差隨孔徑坐標變化的曲線，比較成像面上子午和弧矢方向像差分來評價光學系統成像質量，本設計像差范圍在±50 μm之間，滿足使用要求。

表1給出各視場點列圖數據，根據RMS（均方根半徑）、彌散斑半徑數值可以判斷標本光線與像面交點的會聚情況。這些數據與系統艾里斑半徑的比較，可幫助評價光學系統成像質量；RMS值接近或者小于艾里斑半徑時，RMS的值越小光學系統像質就越好[4]。比較數據可知系統艾里斑大小為17.9 μm，RMS在像面中心視場為3.859 μm，在像面半徑為5.5 mm處為5.895 μm，像面半徑8.0 mm處為7.618 μm，像面邊緣處的RMS為11.398 μm，系統各視場的均方根半徑均小于艾里斑半徑，能量分布集中，成像性能良好。

傳遞函數MTF曲線反映不同頻率下對比度的傳遞能力，用以衡量光學系統光線由輸入到輸出過程中傳遞調制對比度，是目前公認的能充分反映系統實際成像質量的評價指標[5]。MTF曲線中Diff. Limit曲線為衍射極限，T和S分別代表不同視場的復色光子午和弧矢方向，曲線橫坐標為空間頻率，縱坐標MTF值最大為1，曲線越高則成像質量越好。本系統經過優化后4個視場的曲線都接近了衍射極限，對應物鏡成像質量好，滿足設計要求。

3" 暗場反射曲面設計

針對22 mm視場的暗場金相顯微成像系統，5倍物鏡視場范圍4.4 mm、10倍物鏡視場范圍2.2 mm、40倍物鏡視場范圍0.55 mm和100倍物鏡視場范圍0.22 mm，使用時這些暗場金相物鏡后端面接收同樣尺寸的環形暗場照明光束。照明光束經過物鏡內環形光束通道后，再經物鏡前端的聚光鏡反射面的作用，傾斜且均勻地照射到這些區域標本上。為達到上述要求，需對不同倍率暗場物鏡，設計專門暗場聚光鏡曲面。

國內現有金相顯微鏡暗場照明聚光鏡反射曲面的設計，最常見的有同軸拋物線和同軸雙曲面2種。同軸拋物線反射曲面計算相對簡單，但是對軸外光的利用率比較低，照明范圍小；同軸雙曲面反射曲面可以彌補同軸拋物線反射曲面的缺點，光線利用率又會不足，且計算過程復雜煩瑣[1]。也有專利提出將反射拋物曲面設置的位置滿足經過反射拋物曲面反射后的光會聚的焦點偏離反射式暗場顯微鏡的物鏡中心軸后，可有效提高光源的利用率，這種設計方法可簡化計算過程，但是暗場照明的亮度和均勻度仍有不足[6]。

還有專利提出在聚光鏡曲面反光鏡之上設置蜂窩透鏡，如圖3所示。進入環形空腔中的環形光束可通過該蜂窩透鏡形成多束交匯光束，每束交會光束經物鏡曲面反光鏡反射后，均會照在試樣的圓形區域內，此區域內經多束發散光束重疊，形成均勻的照明區域，從而得到較好的暗場效果[7]。這種方法能提高暗場照明的亮度和均勻度，但只適用于10倍、40倍、100倍暗場物鏡，因為這些物鏡標本范圍小于直徑2.2 mm，設計反射曲面較容易實現小范圍視場照明亮度和均勻度，對5倍暗場金相物鏡并不適用。

以圖4所示10倍暗場金相物鏡為例，數值孔徑0.25，工作距離9.0 mm，標本觀測范圍直徑2.2 mm。通過分析可知反射曲面處設置一個暗場聚光鏡反射面，反射曲面高度差2.5 mm，就可以實現高度為2.5 mm范圍內暗場照明光束的充分利用。

以圖5所示5倍暗場金相物鏡為例，數值孔徑0.12，工作距離20.9 mm，標本觀測范圍直徑4.4 mm。暗場照明光束在經過暗場聚光鏡的反射曲面作用后，要經過20.9 mm距離的傳輸后覆蓋直徑4.4 mm的標本，暗場聚光鏡反射曲面的有效利用范圍大大縮小，只能實現高度為1.4 mm范圍內光線的有效利用，這造成了暗場觀察過程中，標本區域暗場照明亮度不足，并且明暗不均勻的后果。為提高5倍暗場照明效果，必須設計一個與之高度匹配的暗場照明反射曲面。

設計前先分析照明光斑尺寸、發散角度、工作距離，再利用普通CAD軟件，將設計好的物鏡光學鏡片繪制出來，同時標識出通過鏡片的成像光束，如圖6所示。一體化設計過程中必須滿足的邊界條件有：①經過暗場聚光鏡反射的光線需要覆蓋2.2 mm范圍，環形暗場聚光鏡共同作用后實現直徑4.4 mm范圍標本的照明。②暗場照明光線的夾角要滿足數值孔徑需求，保證暗場照明光線經過標本反射后的反射光不能進入到物鏡的成像光束區域，否則就會引起系統雜光，降低暗場成像效果。③光線計算過程兼顧物鏡的結構特征，保證經過暗場聚光鏡反射曲面后的照明光束不會被物鏡組件遮擋。

結合物鏡機械結構特點，通過幾何光線追蹤計算，一體化設計出符合暗場物鏡需要的反射面，如圖6所示。其中暗場聚光鏡反射面距標本中心水平距離20.9 mm，垂直距離8.8 mm；反射面與物鏡主光軸夾角8.5°；反射面水平方向長度15.3 mm，垂直高度2.5 mm。工作時高度2.5 mm的照明光線光束進入物鏡環形空腔中，經過反射面的反射后繼續沿箭頭方向傳播，傾斜入射并均勻分布到標本面4.4 mm范圍，這部分光與標本作用發生散射作用，散射光進入物鏡，通過鏡組成像。

以往這些設計需要光學設計和結構設計工程師共同設計，反復匹配。一體化設計可以直觀判斷反射光線與鏡組的遮擋關系、入射平行光束的利用效率、會聚光斑的均勻度和光斑尺寸等重要信息，直接判斷出暗場聚光鏡的照明效果。設計好的數據，可通過數控加工軟件進行自動編程，加工出暗場聚光鏡反射面；再經過清洗、拋光、鍍鉻等處理保證表面高反射效果，最后組裝成部件。

物鏡成品經過光學鏡片加工、鍍膜，鏡座機械加工、鍍鉻處理，鏡組組裝和物鏡像質調校等工序。最后將暗場聚光鏡部件通過螺紋旋轉安裝在物鏡上，使用過程可通過螺紋進行微量前后調節，保證暗場入射光線在標本上呈現最佳的亮度和均勻度。

4" 結論

通過建立光學成像系統設計和暗場照明設計綜合評價條件，一體化設計實現了5倍暗場金相物鏡光學系統和配套暗場照明系統。新的暗場物鏡內部鏡片結構簡單，玻璃材質價格相對較低，暗場均勻明亮。加工好的物鏡產品實際觀察效果達到了國內知名品牌顯微鏡水平，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻：

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