專利名稱：一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光學系統調制傳遞函數的技術，特別涉及一種測量大數值孔 徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置及方法。
背景技術：
顯微測量儀器是人們認識微觀世界的重要手段，隨著科技的不斷發展，人們對顯 微測量儀器的分辨本領的要求越來越高。對于光學顯微系統而言，為了提高分辨本領，需要 設計和研制具有大數值孔徑(N.A. >0.7)的顯微物鏡。然而大數值孔徑顯微物鏡設計困 難、加工和裝配精度要求高，因此為了保證最終產品的性能，需要在研制和生產過程中對大 數值孔徑顯微物鏡的成像性能進行定量評價。調制傳遞函數是一種光學系統成像質量評價指標，反映了光學系統的頻率響應特 性，已廣泛用于包括顯微物鏡在內的多種光學系統的成像性能的定量評價。常用的調制傳 遞函數的測量方法主要有圖像傅立葉分析法和掃描法。圖像傅立葉分析法利用帶有中繼物鏡的CCD或CMOS面陣探測器探測像面光強分 布后利用計算機分析處理來完成調制傳遞函數測量。目前，基于該方法的調制傳遞函數測 量儀器已有一些成熟的商業化產品問世，其中較為著名的有美國Optikos公司的Optest光 學性能測試系統，德國的Trioptics公司ImageMaster高精度MTF測量系統等。這些儀器 用于小數值孔徑顯微物鏡的測量時能夠具有較好的測量精度，對于數值孔徑超過0. 7的大 數值孔徑顯微物鏡往往無法測量或者測量結果誤差較大。造成這個問題的原因是在對大數值孔徑顯微物鏡測量時，中繼物鏡需要具有比待 測物鏡更大的數值孔徑和接近衍射極限的成像性能，這樣的物鏡往往難以設計、加工和裝 配，研制成本很高，難以實現。掃描法是傳統的調制傳遞函數測量方法，基于該方法的測量儀器主要有美國 Optikos公司的EROS測量組件等。這些儀器使用帶有中繼透鏡的點探測器掃描待測物鏡的 像面后分析處理測量調制傳遞函數。利用該儀器測量大數值孔徑顯微物鏡時，同樣存在需 要采用更大數值孔徑中繼透鏡的問題。因此，有必要提出一種調制傳遞函數的測量裝置，不需要使用中繼光學系統，能夠 完成大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的精確測量。
發明內容
本發明目的是提供一種工作波段寬，結構簡單，功能擴展性好，且使用方便的大數 值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數測量裝置及其測量方法。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種大數值孔徑顯微物鏡調制 傳遞函數的裝置，它包括準直物鏡(1)、目標發生器(2)、像分析儀(11)和控制及數據處理 系統(14)，其特征在于所述的像分析儀(11)包括掃描刀口(8)、掃描控制器(9)、積分球、半導體光電探測器(12)和鎖相放大器(13)；掃描刀口⑶安裝在積分球(10)的開口前面，它們之間的距離彡1mm，掃描刀口⑶的刀口厚度彡Ium ；掃描控制器(9)接收由控 制及數據處理系統(14)發出的控制信號，驅動掃描刀口(8)運動；半導體光電探測器(12) 安裝在積分球(10)的內壁上，其輸出電流信號經鎖相放大器(13)輸入到控制及數據處理 系統(14)處理后輸出測量結果。所述的掃描控制器(9)為壓電陶瓷掃描器。所述的半導體光電探測器(12)為光
電二極管。一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的方法，其特征在于包括如下步驟(a)將待測顯微物鏡(7)置于像分析儀(11)的掃描刀口(8)之前，并使其光軸和 準直物鏡(1)輸出平行光的光軸重合；(b)移動待測顯微物鏡(7)，使它的像面與掃描刀口(8)所在的平面重合，狹縫像 (15)位于掃描刀口⑶的一側；積分球(10)接受來自狹縫像(15)的光能量，其輸出的電 流信號輸入鎖相放大器(13)；(c)在控制及數據處理系統(14)內設定掃描控制器(9)的掃描參數，并發出的控 制信號，驅動掃描刀口(8)在待測顯微物鏡的像面上進行掃描，使待測顯微物鏡的狹縫像逐步被掃描刀口(8)遮擋；直至刀口完全遮擋住狹縫像；積分球(10)接受來自狹縫像 (15)的光能量，其輸出的電流信號輸入鎖相放大器(13)；(d)控制及數據處理系統(14)采集鎖相放大器(13)的輸出信號，經數據處理得到 待測顯微物鏡的邊緣擴散函數ESF ；(e)對得到的邊緣擴散函數ESF進行微分處理，得到初始調制傳遞函數值，再經修 正，去除測試裝置本身的調制傳遞函數值的影響，得到待測光學系統的調制傳遞函數值。與現有技術相比，本發明具有如下的特點1、本發明采用積分球代替中繼光學系統構成像分析器，由于積分球的光線收集范 圍可以達到2 π立體角，因此，它適用于大數值孔徑顯微物鏡的像面光線收集。2、由于大數值孔徑顯微物鏡的焦深很小，因此，本發明中采用寶石材料加工而成 的刀口，刀口厚度小于lum，有益于刀口在待測顯微物鏡的像面上進行掃描。3、由于壓電陶瓷可以達到很小的掃描步長，因此，本發明采用壓電陶瓷驅動刀口 掃描，能夠滿足保證在待測顯微物鏡像面上具有足夠的采樣率。4、本發明所提供的大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數測量裝置，結構簡單，功能 擴展性好，工作波段寬；其使用方便，同時，也可用于一般光學系統調制傳遞函數的測量。
圖1為本發明實施例提供的一種大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數測量裝置的 結構示意圖；圖2為本實施例所述的測量裝置掃描待測顯微物鏡所成靶標像的原理示意圖；圖3為本發明實施例的測量裝置掃描得到的邊緣擴散函數曲線圖；圖4為本發明實施例提供的測量裝置測量調制傳遞函數的流程圖；圖5為本發明實施例提供的測量裝置測量得到的調制傳遞函數曲線圖。圖中1、準直物鏡；2、目標發生器；3、靶標；4、斬波器；5、濾光片；6、照明光源；7、 待測大數值孔徑顯微物鏡；8、掃描刀口 ；9、掃描控制器；10、積分球；11、像分析儀；12、半導
4體光電探測器；13、鎖相放大器；14、控制及數據處理系統；15、狹縫像。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述。實施例一參見附圖1，它為本實施例提供的大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數測量裝置的 結構示意圖，該裝置包括準直物鏡1，目標發生器2，像分析儀11和控制及數據處理系統 (計算機)14。目標發生器2用于為顯微物鏡調制傳遞函數的測試提供特定的成像目標，其包括 靶標3，斬波器4，濾光片5和照明光源6。其中靶標3為狹縫靶標，它放置于準直物鏡1的 焦點處，用于模擬位于無窮遠處的目標物。照明光源6用于照明靶標，通過更換不同的濾光 片，可以變換目標發生器的輸出波長。斬波器用于對照明光源6發出的光輻射信號進行調 制，使之變成具有一定頻率的交變輻射信號，斬波器同時提供一路交流信號用于鎖相放大 的參考信號。像分析儀11包括掃描刀口 8、掃描控制器9、積分球10、半導體光電探測器12和鎖 相放大器13 ；掃描刀口 8安裝在積分球10的開口前面，它們之間的距離彡1mm，掃描刀口 8 的刀口厚度彡Ium ；掃描控制器9接收由控制及數據處理系統14發出的控制信號，驅動刀 口運動；半導體光電探測器12安裝在積分球10的內壁上，其輸出的電流信號經鎖相放大器 13輸入到控制及數據處理系統14進行處理后輸出測量結果。像分析儀11用于探測待測大數值孔徑顯微物鏡7的像面上所成狹縫像的光強分 布，在本實施例中，掃描刀口采用超薄刀口，掃描控制器9采用壓電陶瓷掃描器，半導體光 電探測12采用光電二極管。由于大數值孔徑的物鏡其焦深很小，因此所用掃描刀口 8應為 厚度小于Ium的超薄寶石刀口。壓電陶瓷掃描器9驅動掃描刀口 8在顯微物鏡的像面上進 行掃描，其掃描步長最小可以達到nm量級，采樣頻率可以超過100001p/mm，能夠保證對待 測顯微物鏡所成的像進行掃描時具有足夠的采樣率，滿足Nyquist采樣條件。積分球10用 于收集待測顯微物鏡7的像點經過掃描刀口 8遮擋后出射的光能量。安裝在積分球10內 壁上的光電二極管12用于探測積分球接受到的光亮度，其輸出電流值與顯微物鏡像點未 被刀口遮擋部分的光能量成正比。由于目標發生器輸出光輻射信號是經過斬波器調制的， 因此光電二極管輸出的電流信號中與斬波器輸出的參考信號頻率相同的信號分量才是有 效信號，其余分量均為噪聲信號。鎖相放大器13從光電二極管輸出的電流信號中提取出有 效電流信號后，輸出至計算機14分析處理。采用鎖相放大器極大地提高了測試裝置的信噪 比，有利于提高調制傳遞函數測量的精度。參見附圖2，它為像分析儀11在待測大數值孔徑顯微物鏡7的像面處對其所成的 狹縫像15進行掃描探測的原理圖，圖中箭頭表示掃描方向。掃描刀口 8最初位于待測顯微 物鏡所成狹縫像15的一側，如圖2(a)所示，此時狹縫像未被刀口遮擋，其全部光能量被積 分球接收，鎖相放大器輸出的信號最大。隨著刀口在像面上按照固定的步長向狹縫像的另 一側逐步掃描，狹縫像15逐漸被刀口遮住，如圖2(b)所示，積分球所接收到的來自狹縫像 的光能量逐漸減少，鎖相放大器輸出的信號值也逐漸降低。當刀口移動至完全遮住狹縫像 時，如圖2(c)所示，鎖相放大器輸出信號降至最低。
參見附圖3，它為掃描完成后，鎖相放大器輸出信號的變化曲線即為待測大數值孔 徑顯微物鏡的邊緣擴散函數(ESF)曲線，其中，曲線上的a、b、c點分別對應于圖2(a)、(b) 和(c)三個狀態時鎖相放大器的輸出信號值。掃描得到的ESF曲線經過分析處理后可以得 到待測大數值孔徑顯微物鏡的調制傳遞函數曲線。參見附圖4為本實施例所述的測試裝置測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數 的測量流程，由圖4可以看到，本實施例的測試方法步驟如下步驟一，將待測顯微物鏡7置于像分析儀11的掃描刀口 8之前，并使其光軸和準 直物鏡的光軸平行。步驟二，沿光軸移動待測顯微物鏡，使得其像面與掃描刀口所在的平面重合，隨后 沿垂直于光軸方向移動待測顯微物鏡，使其所成的狹縫像位于掃描刀口一側，且狹縫像未 被刀口遮擋，此時鎖相放大器輸出信號最大。步驟三，設定壓電陶瓷掃描器的掃描步長、掃描距離等參數后驅動掃描刀口在待 測顯微物鏡的像面上進行掃描，使待測顯微物鏡的狹縫像逐步被刀口遮擋，直至刀口完全 遮擋住狹縫像。根據鎖相放大器的輸出信號曲線得到待測顯微物鏡的ESF。步驟四，對ESF進行微分，得到線擴散函數(LSF)后，再進行傅立葉變換并取模，得 到待測顯微物鏡未經修正的調制傳遞函數值MTFr。 步驟五 對MTFr進行修正，去除測試裝置本身的調制傳遞函數MTFe的影響，得到待測大數 值孔徑顯微物鏡的調制傳遞函數值MTFm。參見附圖5，它為本發明實施例測量裝置對某大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數 曲線的測量結果，橫坐標為空間頻率，單位為lp/mm，縱坐標為調制傳遞函數值，表示成百分 比的形式。本發明所述的調制傳遞函數測量裝置用于軸外測量時，待測大數值孔徑顯微物鏡 和像分析儀同時旋轉相同的角度至欲進行調制傳遞函數測量的視場角。按照附圖4的測量 流程進行測量即可得到待測光學系統軸外視場的調制傳遞函數。
權利要求
一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置，它包括準直物鏡(1)、目標發生器(2)、像分析儀(11)和控制及數據處理系統(14)，其特征在于所述的像分析儀(11)包括掃描刀口(8)、掃描控制器(9)、積分球(10)、半導體光電探測器(12)和鎖相放大器(13)；掃描刀口(8)安裝在積分球(10)的開口前面，它們之間的距離≤1mm，掃描刀口(8)的刀口厚度≤1um；掃描控制器(9)接收由控制及數據處理系統(14)發出的控制信號，驅動掃描刀口(8)運動；半導體光電探測器(12)安裝在積分球(10)的內壁上，其輸出電流信號經鎖相放大器(13)輸入到控制及數據處理系統(14)處理后輸出測量結果。
2.根據權利要求1所述的一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置，其特征 在于所述的掃描控制器(9)為壓電陶瓷掃描器。
3.根據權利要求1所述的一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置，其特征 在于所述的半導體光電探測器(12)為光電二極管。
4.一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的方法，其特征在于包括如下步驟(a)將待測顯微物鏡(7)置于像分析儀(11)的掃描刀口(8)之前，并使其光軸和準直 物鏡(1)輸出平行光的光軸重合；(b)移動待測顯微物鏡(7)，使它的像面與掃描刀口(8)所在的平面重合，狹縫像(15) 位于掃描刀口(8)的一側；積分球(10)接受來自狹縫像(15)的光能量，其輸出的電流信號 輸入鎖相放大器(13)；(c)在控制及數據處理系統(14)內設定掃描控制器(9)的掃描參數，并發出的控制信 號，驅動掃描刀口(8)在待測顯微物鏡的像面上進行掃描，使待測顯微物鏡的狹縫像(15) 逐步被掃描刀口(8)遮擋；直至刀口完全遮擋住狹縫像；積分球(10)接受來自狹縫像(15) 的光能量，其輸出的電流信號輸入鎖相放大器(13)；(d)控制及數據處理系統(14)采集鎖相放大器(13)的輸出信號，經數據處理得到待測 顯微物鏡的邊緣擴散函數ESF ；(e)對得到的邊緣擴散函數ESF進行微分處理，得到初始調制傳遞函數值，再經修正， 去除測試裝置本身的調制傳遞函數值的影響，得到待測光學系統的調制傳遞函數值。
全文摘要
本發明涉及一種測量光學系統調制傳遞函數的技術，特別涉及一種測量大數值孔徑顯微物鏡調制傳遞函數的裝置及方法。該裝置所述的像分析儀(11)包括掃描刀口(8)、掃描控制器(9)、積分球(10)、半導體光電探測器(12)和鎖相放大器(13)；掃描刀口(8)安裝在積分球(10)的開口前面；掃描控制器(9)接收由控制及數據處理系統(14)發出的控制信號，驅動刀口運動；半導體光電探測器(12)安裝在積分球(10)的內壁上，其輸出的電流信號經鎖相放大器(13)處理后輸入到控制及數據處理系統(14)。該裝置結構簡單，功能擴展性好，工作波段寬，且使用方便，還可用于光學系統調制傳遞函數的測量。
文檔編號G01M11/02GK101893509SQ201010225748
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者周建康, 季軼群, 沈為民, 相春昌, 范紀銘, 陳宇恒, 陳新華 申請人:蘇州大學