一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统与流程

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种液浸及固浸显微物镜数值孔径的测量系统及其测量方法。

背景技术：

随着显微技术的发展及应用，显微物镜的应用越来广泛，而显微物镜数值孔径的检测精度要求越来越高。

目前测定物镜的数值孔径主要是使用数值孔径计，测量时主要使用人眼进行观察，调节数值孔径计上十字线交点与所观察到的圆斑相切，然后读取数据。整个操作过程都是测量人员在完成，相对而言对测量人员的要求比较高，并且测量的精度也比较差，特别是测量较高NA的物镜时，需要借助辅助物镜，操作较为复杂，难以实现自动检测，给生产和使用造成了极大的不便。

本发明提出使用全反射来测量显微物镜的数值孔径，通过显微物镜后的激光能够聚焦到标准样片表面，当激光入射角较小时，不发生全反射，反射光振幅较小，当激光入射角大于一定角度时，发生全反射，反射光振幅较大。对后焦面成像获取的图片上可得到最大光圈半径和发生全反射的光圈半径，由此可以计算出显微物镜的数值孔径。这极大的减少了对人工操作的依赖，降低了测量要求，提高了测量精度，对显微物镜的生产检测和使用评估都提供了极大的便利。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

目前测定物镜的数值孔径主要是人工操作数值孔径计，对测量人员的要求较高，且操作复杂、精度难以保证，为解决这一问题，本专利提出一种新的数值孔径测量方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度的显微物镜数值孔径的非机械式检测系统，其特征在于，包括：

照明光源、分光镜、显微物镜、标准样片，所述照明光源的发射孔中心轴线和显微物镜中心轴线共线；以及

设置在分光镜下侧的成像光路，该成像光路包括一号透镜、二号透镜和探测器，所述一号透镜、二号透镜共轴，所述一号透镜和二号透镜之间的距离是两者焦距之和，所述一号透镜、二号透镜的中心轴线与分光镜所在平面成45度，所述显微物镜后焦面和探测器感光面关于一号透镜和二号透镜共轭。

所述照明光源发出的光束横截面直径大于或等于显微物镜的通光孔径；所述照明光源发出的光束和分光镜所在平面成45度；所述照明光源发出的光束中心轴线与显微物镜中心轴线共线；所述照明光源发出的光束经标准样片反射后，再经过分光镜反射后，经过一号透镜和二号透镜的中心轴线，最后垂直射在探测器感光面上。

本发明还提供了一种高精度显微物镜数值孔径的自动检测方法，其包括：

光束从显微物镜入射后聚焦在标准样片上，反射光在显微物镜后焦面成像，图像传感器上可获得后焦面上像的最大光圈半径r_max、全反射吸收光圈半径r_TIR：

其中，NA表示显微物镜的数值孔径；n₀表示显微物镜与标准样片间介质的折射率，n₁表示标准样片的折射率；r_TIR表示显微物镜后焦面上成像的全反射吸收弧的半径；r_max表示显微物镜后焦面上成像的最大光圈的半径；θ_TIR表示激光从标准样片入射到空气中的全反射角。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：降低了检测显微物镜NA数值的要求，能够更加精确的得到显微物镜NA的数值，并且可实现自动测量，给生产检测和使用评估都提供了极大的便利。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统的原理图。

图2是本发明所述的一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统的结构示意图。

图3是本发明所述的一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统中，显微物镜后焦面的光聚焦到探测器上的光路。

图4是本发明所述的一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统，发生全反射的仿真图。

图中1：照明光源；2：分光片；3：显微物镜；4：标准样片；5：一号透镜；6：二号透镜；7：探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“轴向”、“径向”、“周向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语成像光路当使用一个透镜两个透镜或者多个透镜，当其对显微物镜后焦面成像时，均属于本发明保护范围

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统，目的在于使用不同角度光入射，找到全反射光圈，它包括照明光源(1)、分光镜(2)、显微物镜(3)、标准样片(4)、一号透镜(5)、二号透镜(6)和探测器(7)所述照明光源(1)发出的光经分光镜(2)透射，入射至显微物镜(3)，并且经显微物镜(3)聚焦到标准样片(4)的表面，发生反射，反射光通过显微物镜(3)，经过分光镜(2)反射，经一号透镜(5)和二号透镜(6)成像于探测器(7)中；

所述一号透镜(5)、二号透镜(6)和探测器(7)共轴，光路和分光镜(2)所在平面成45度，所述一号透镜(5)和二号透镜(6)镜面之间的距离是其两者的焦距之和，探测器(7)的感光面和显微物镜(3)的后焦面共轭，所述显微物镜(3)的焦点在标准样片(4)表面

光束从显微物镜(3)入射后聚焦在标准样片(4)上，反射光在显微物镜(3)后焦面成像，图像传感器上可获得后焦面上像的最大光圈半径r_max、全反射吸收圆半径r_TIR：

其中，NA表示显微物镜的数值孔径；n₀表示显微物镜与标准样片间介质的折射率，n₁表示标准样片的折射率；r_tr表示显微物镜后焦面上成像的全反射吸收弧的半径；r_max表示显微物镜后焦面上成像的最大光圈的半径；θ_TIR表示激光从显微物镜与标准样片之间的介质入射到标准样片上时的全反射角。

具体实施方式二：照明光源(1)发出的光束的横截面直径大于或等于显微物镜(3)的通光孔径，当照明光源(1)发出的光束的横截面直径小于显微物镜(3)的通光孔径时，可在照明光源(1)和显微物镜(3)之间添加扩束光路使照明光源(1)发出的光束的横截面直径大于或等于显微物镜(3)的通光孔径。