基于MTF的显微镜物镜景深模拟测量

时间:2019-02-11 18:05:58 来源:荣一娱乐平台 作者:匿名



介绍

景深是显微镜物镜的重要参数之一。在现代二维高精度测量中,该参数的获取对于整个测量系统中基础——光学系统的精度的改进是重要的。经询问,目前尚未有相关的中国景深测量方法报告。因此,无论是从理论创新还是实际应用,都需要研究景深的测量,以便为设计,生产和测试中具有景深要求的光学系统的选择提供科学依据。

本文提出了一种测量景深的方法。使用光学设计软件OSLO的图像质量评估函数MTF [1],通过使设计的显微镜物镜散焦来测量显微镜物镜的景深。随后的研究通过一系列具有已知结构参数的自行开发的显微镜物镜进行实际景深测量,并将这些测量数据与模拟测量值进行比较,以验证模拟测量值的正确性。这种方法使得微观客观景深研究从理论计算转向运行模拟测量。这可以用于指导需要景深的微观光学系统的设计。

1微观客观景深模拟测量原理

1.1景深的定义

空间物体成像不同于平面物体成像,不能满足严格的共轭关系。对于空间物体成像,可以在图像平面上获得清晰图像的空间深度称为景深[2-3]。图1中的Δ量是景深。可以清晰成像的最远物平面(即物点B1所在的平面)称为远视平面;从远视平面到对准平面的距离称为后景深;可以清晰成像的最近的物体平面(即,物点B2位于该平面称为近景,并且从近景到对准面的距离称为前景。通常,景深是比前景更深。

1.2微观物镜景深模拟测量原理

从景深的定义开始,很明显,在物镜被显微镜物镜锐聚焦后,可以在物体前方清晰定义的物体空间是景深,如图2所示。 ,其中(a)是焦点对齐。 (b)将前景表面与焦点调整对齐; (c)将后表面与焦点调节对齐。如果物镜分别聚焦在近侧和远侧,则物体表面变为其前(后)深度值。如果调整焦距,则物镜的实际工作距离为WDmax=WDΔ。类似地,如果调整物镜的焦点,物镜的实际工作距离min WD=WD-Δ,是否可以通过光学设计CAD软件人工设置散焦,并且通过MTF评估截止频率确定Δ之前和之后的Δ。当然,需要连续调整散焦量。在景深Δ=最大WD之后? WD,前景深度Δ==min WD? WD; Δ模拟测量=最大WD - min WD2景深模拟测量操作和案例

对于具体的测量方法,介绍了实际测量显微镜物镜的景深的过程。本文主要考虑三种不同放大倍率10×[4-6]的显微镜物镜。自行研制的10×infinity长工作距离平场消色差显微镜物镜如图3所示[7]。 β=-10×(f'aux=200 mm); NA=0.25; f'=24.995 mm,共轭距离=∞。参数的具体值如图4所示。

从图4中可以看出,显微镜物镜最清晰成像时的工作距离WD是18.594 7。

从图5中可以看出,MTF值达到800 lp/mm,图像质量非常好。

为了测量其景深,逐渐改变其工作距离,增加和减少工作距离,以观察成像质量的变化。首先,改变方向以减少工作距离。每次更改5μm时,工作距离将从原始图像质量优势18.594 7逐渐降低到18.584 7,如图6所示.MTF值仍可达到800 lp/Mm。

当工作距离继续减小到18.5800μm时,其光学传递如图7所示。

此时,MTF也降低到500 lp/mm,并且不能满足成像质量要求,因为满足成像质量要求的最小工作距离暂时被认为是WDmin=18.584 7。

然后以相同的方式,工作距离从最佳工作距离改变到相反方向,并且最大工作距离max WD只能是18.614 7。

根据景深的概念,景深由两部分组成,具有深景深和深前景。景深Δ=背景深度前景深,所以景深Δ=最大WD?最小的WD。从上述测量可以计算出显微镜物镜的景深模拟测量值是Δ=(18.614 7-18.584 7)=30μm。 10×(共轭距离L=195 mm)物镜的景深测量,最小工作距离min WD为7.275,满足成像质量要求,最大WD=7.290。因此,物镜的景深为Δ=(7.290-7.275)=15μm。 10×(f副=200毫米)最小工作距离的显微镜物镜,最小WD=5.285。最大工作距离max WD为5.299 0.然后物镜的景深Δ=(5.299 0-5.285 0)=14μm。

3测量结果

以上述方式,在另外两个10×显微镜物镜上测量景深模拟。用相同的放大倍数和相同的数值孔径(NA=0.25)测量显微镜物镜的景深,表明三个显微镜物镜的最佳图像平面的工作距离为:18.594 7,7.286 0,5.297 5分别。景深模拟测量值为:10×(∞f250):30.0μm; 10×(195):15.0μm; 10×(∞f200):14.0μm。

4。结论

测量结果表明,所提出的以MTF为评价函数模拟显微镜物镜景深的方法具有一定的可行性。由Guidian Electro-Mechatronics Research Institute开发的显微镜物镜可与国外知名公司生产的物镜的景深相媲美。通过景深的测量,验证了景深比前景更深的理论。这种方法打破了以往人们对显微镜透镜景深的研究只停留在理论研究中并弥补国内差距的局面。

在随后的研究中,实际景深测量是在独立开发的已知结构参数的显微镜物镜上进行的,并将测量数据与模拟测量值进行比较,以验证模拟测量值的正确性,可用于指导需要景深的微观光学系统的设计。

摘录自:中国计量与测量网络

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