光谱共焦显微镜用超大量程线性色散物镜设计

现有的光谱共焦显微镜色散物镜的量程大多在数毫米量级,为满足工业测量领域对大量程线性色散物镜的需求,文章从线性色散物镜设计原理出发,采用高性价比环境友好型光学玻璃,设计了一款仅由五片全球面镜片组成的超大量程线性色散物镜。设计结果表明,该物镜在400～700nm波长范围内的轴向色散达到30.44mm,且色散-波长线性度高于0.99,具有优异的线性关系,理论分辨率可以达到2.034μm。     

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器的线性色散物镜设计

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值,是一种非接触式厚度测量传感器.色散物镜是厚度测量传感器的核心部件,色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率.文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理,分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系,利用ZEMAX光学设...     

光谱共焦位移传感器镜头设计

光谱共焦位移传感器是一种以波长信息反映位移变化的非接触式光电位移传感器,色散镜头是传感器重要组成部分,其轴向色散与波长之间的线性度和色散范围会影响系统整体性能。为产生较大的线性轴向色散和良好的线性度,文章阐述了光谱共焦位移传感器的基本原理,分析了轴向色散与玻璃材料及波长之间的的关系,使用ZEMAX光学设计仿真软件的多重结构功能,设置评价函数操作数进行优化得到了一个镜头组。镜头组采用正负透镜组分离结构,在486～656nm波长范围内,色散范围约为1mm,各个单色波长在其焦点位置产生最大的RMS半径为1.552μm且达到衍射极限,同时波长色散离焦量与波长之间通过线性拟合所得判定系数R~2为0.9976,理论分辨率为5nm,镜头在产生大的色散范围同时也拥有着良好的线性性。     

光谱共焦位移传感器色散镜头设计

色散镜头是光谱共焦位移传感器的核心部件,轴向色散与波长之间的线性度直接影响系统的测量精度。研究了轴向色散与玻璃材质之间的关系,结合透镜组光焦度分配公式,分析线性色散产生条件,设计了一款色散镜头;使用ZEMAX进行仿真优化,镜头在500~700nm工作波段范围内,色散范围约为150.34μm,轴向色散与波长线性度通过一元线性拟合分析,判定系数达0.9972,镜头分辨率较高,配合现有的光谱仪使用,传感器分辨率可达纳米级,满足高精度测量要求。     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义.针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构.透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10μm.     

紧凑长轴向色散光谱共焦镜头

为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围,并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题,设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片,在工作波长450～700 nm内轴向色散范围达3.5 mm,波长和焦移线性拟合相关系数为0.97,像方数值孔径为0.48,光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下,该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统,并进行性能评估实验。实验结果表明,该系统的最大测量标准差为0.05μm,最大平均绝对误差为0.04μm,实际轴向分辨率优于0.5μm,对被测物的最大测量角约为28.5°。     

线性色散设计的光谱共焦测量技术

研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜,有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律,计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系,给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果,构建了光谱共焦测量系统,完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明,系统的轴向测量范围达到1 mm,分辨力优于0.5μm,全程测量误差小于2μm,符合设计要求。     

光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点,可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析,提出了详细的设计指标,基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化,给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm,光谱范围为500～700nm,线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,理论上精度优于2μm。     

基于OSLO的无限远像距消色差显微物镜的设计

共焦激光扫描显微镜对物镜有高分辨率、易于实现纵向扫描的要求,为此设计了高分辨率6片式无限远像距显微物镜.它的前置物镜与辅助物镜之间具有一段平行光路,因此容易实现轴向扫描.根据使用要求总体计算该物镜的外形尺寸,以像差理论为基础选择6片式的消色差物镜初始结构,用专业光学设计软件OSLO对物镜和辅助物镜进行设计和像质分析.设计结果显示,独特的6片式结构的20×物镜分辨率达到了800 lp/mm,符合共焦显微镜的使用要求.     

减小变焦物镜象面位移的误差补偿法

前言一个设计良好的变焦物镜,由于制造和装配误差,在变焦过程中物镜焦面仍不能保持稳定,会产生微量轴向位移。本文讨论的变焦物镜用于观察景物,在物镜后焦面上置有一块分划板,通过目镜观察。变焦时,物     

Demonstration of a no-moving-parts axial scanning confocal microscope using liquid crystal optics

For the first time, to the best of authors’ knowledge, a no-moving-parts axial scanning confocal microscope (ASCM) system is designed and demonstrated using a combination of a large diameter liquid crystal (LC) lens and a classical microscope objective lens. By electrically controlling the 5 mm diameter LC lens, the 633 nm wavelength focal spot is moved continuously over a 48 μm range with a measured 3-dB axial resolution of 3.1 μm using a 0.65 numerical aperture (NA) micro-objective lens. The ASCM is successfully used to image an Indium Phosphide (InP) twin square optical waveguide sample with a 10.2 μm waveguide pitch and 2.3 μm height and width. Using fine analog electrical control of the LC lens, a super-fine sub-wavelength axial resolution of 270 nm is demonstrated. The proposed ASCM can be useful in various precision three-dimensional (3D) imaging and profiling applications.     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

Aberration-free optical refocusing in high numerical aperture microscopy

We describe a method of optical refocusing for high numerical aperture (NA) systems that is particularly relevant for confocal and multiphoton microscopy. This method avoids the spherical aberration that is common to other optical refocusing systems. We show that aberration-free images can be obtained over an axial scan range of 70 mum for a 1.4 NA objective lens. As refocusing is implemented remotely from the specimen, this method will enable high axial scan speeds without mechanical interference between the objective lens and the specimen.     

反射式光纤共焦扫描成像的研究

建立了反射式光纤共焦扫描成像系统,分析了光纤－集光透镜参数Ａ及物透镜有效数值孔径等对系统成像分辨率的影响。并在此基础上选择了合适参数的透镜,获得了优化的反射式光纤共焦扫描成像系统,测试结果表明,该系统具有亚微米级横向成像能力,微米级向层析能力,成像稳定性那,它将应用于材料及生物组织三维成像检测中。     

An optical technique for remote focusing in microscopy

We describe the theory of a new method of optical refocusing that is particularly relevant for confocal and multiphoton microscopy systems. This method avoids the spherical aberration that is common to other optical refocusing systems. We show that aberration-free refocusing can be achieved over an axial scan range of 70 μm for a 1.4 NA objective lens. As refocusing is implemented remotely from the specimen, this method enables high axial scan speeds without mechanical interference between the objective lens and the specimen.     

基于共焦原理的反射式自聚焦光纤传感技术研究

基于共焦显微成象原理,提出了一种由自聚焦透镜和X型光纤组成的高精度反射式自聚焦光纤传感器.该传感器具有绝对位置跟踪的特殊能力,并有体积小、抗干扰性强、轴向分辨率高等特点.由实验分析得,其轴向分辨率可达30nm.可用于表面微观形貌、外形尺寸、曲面轮廓等测量领域.     

Determination of Aberration Coefficient of Microoptic Arrays from Axial Confocal Response by Neural Method

We propose a high-speed and parallel method to determine lens aberrations from its confocal axial response. This method analyzes the intensity confocal response including the aberration information of the objective lens by means of neural network algorithm. This method is designed to work parallely for many microlenses, and simultaneously determines aberrations of each element of a microlens array. A prototype system can determine spherical aberration coefficients of a microlens in the range from −0.7λ to 0.3λ with less than 1% RMS error.