[發明專利]一種基于衍射光柵的顯微物鏡數值孔徑測量方法

在審

• 申請號: 201910342715.8
• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN109916598A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 張蓓;肖天宇;王希奇;閆鵬;胡慶雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于衍射光柵的顯微物鏡數值孔徑測量方法，涉及光學檢測領域，尤其涉及顯微物鏡數值孔徑(NA)的測量，包括對液浸及固浸顯微物鏡NA的測量。它解決了目前測量物鏡數值孔徑時操作繁瑣的問題，還能進一步提高測量精度。所述方法包括，光束通過衍射光柵后發生多縫衍射，經顯微物鏡后，可在其后焦面處觀測到衍射條紋。通過確定衍射條紋位置與后焦面視場邊界位置，并根據二者與物鏡數值孔徑間的函數關系，即可計算得到顯微物鏡的數值孔徑。本發明還可以利用計算機對圖像傳感器上得到的衍射圖像進行識別，實現顯微物鏡數值孔徑的高精度測量。

技術領域

本發明涉及光學檢測領域，尤其涉及一種基于衍射光柵的顯微物鏡數值孔徑的測量方法。

背景技術

顯微系統的核心部件是顯微物鏡，整個顯微系統的性能由顯微物鏡決定，而數值孔徑是判斷顯微物鏡性能(分辨率、焦深、亮度等)的重要參數，良好的數值孔徑測量方法對顯微物鏡光機設計及集成工藝等具有重要意義。

目前測定物鏡的數值孔徑主要是使用數值孔徑計，測量時主要使用人眼進行觀察，調節數值孔徑計上十字線交點與所觀察到的圓斑相切，然后讀取數據。整個操作過程都是測量人員在完成，對測量人員的要求比較高，并且測量的精度也比較差，特別是測量較高NA的物鏡時，還需要借助輔助物鏡，操作較為復雜，難以實現自動檢測。基于全反射原理的顯微物鏡數值孔徑的測量方法相對簡單，但測量基準單一，一旦全反射吸收圓的位置出現偏差，會對測量結果產生很大影響，并且為了產生全反射現象，待測顯微物鏡的數值孔徑本身就必須足夠大使得入射光滿足激發全反射的角度，即全反射現象不適用于對低數值孔徑物鏡的測量。

本發明提出了一種基于衍射光柵的顯微物鏡數值孔徑測量方法，平行光束通過光柵后發生衍射，經過有限數值孔徑的顯微物鏡成像后，可在顯微物鏡的焦面上觀察到衍射條紋。通過確定衍射條紋位置與后焦面視場邊界位置，并根據二者與物鏡數值孔徑間的函數關系，即可計算得到顯微物鏡的數值孔徑。該方法既無須繁瑣操作，又有復數的衍射條紋作為復數的測量基準，提高測量精度。

發明內容

(一)要解決的技術問題

傳統的測量顯微物鏡數值孔徑的系統操作繁瑣；現有方法測量基準單一，測量結果容易出現較大誤差。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于衍射光柵的顯微物鏡數值孔徑的非機械式檢測方法，包括：

準直照明光源、衍射光柵、待測顯微物鏡、成像透鏡組。衍射光柵置于待測顯微物鏡的焦面上或者經由成像透鏡組置于待測顯微鏡焦面的共軛面上，圖像傳感器置于待測顯微物鏡的后焦面上或者經由成像透鏡組置于待測顯微鏡后焦面的共軛面上，所述裝置中，準直照明光源發出的準直光和待測顯微物鏡共軸，準直照明光源發出的準直光束照射在衍射光柵上發生衍射并在顯微物鏡的后焦面成像，從圖像傳感器上可獲得多級衍射條紋；通過以下公式獲得待測顯微物鏡數值孔徑：

上式中，NA代表待測顯微物鏡的數值孔徑；n₀表示顯微物鏡與衍射光柵間介質的折射率；k代表衍射條紋的級數，θ_k代表第k級衍射條紋對應的衍射角；x_m為待測顯微物鏡后焦面上的最大光圈位置，x_k為圖像傳感器上獲得的顯微物鏡后焦面上第k級衍射條紋位置；其中，θ_k可由衍射光柵明紋公式獲得：

上式中，d代表光柵常數，λ代表入射光波長。

(三)有益效果

本發明的技術方案具有如下優點：

對檢測顯微物鏡數值孔徑的設備和操作流程要求不高；

既可以對低NA的顯微物鏡進行測量，也可以用于高NA的液浸及固浸顯微物鏡；