一种NA＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜

一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜
技术领域
1.本发明涉及显微物镜技术领域，尤其涉及一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜。


背景技术：

2.大数值孔径的紫外长工作距离平场显微物镜在紫外光谱检测和紫外高精度分辨领域有着广泛的应用。特别是在超高真空、极低温等极端环境中样品的紫外观测中，为了获得极端的环境条件，被观测样品通常被密封于带有玻璃观察窗的设备中。玻璃观察窗的厚度通常在5mm左右，厚的观察窗给成像的物镜系统引入了极大的球差和慧差；另外，样品距观察窗的距离可达10mm，又要求物镜系统有极大的工作距离。现有的产品和技术无法满足此类极端环境下的样品观测，如美国索雷博为代表的公司生产的商用紫外长工作距离显微物镜不能补偿光学观察窗厚度引入的像差，其最大数值孔径仅为na＝0.42。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种数值孔径达到0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，它可以解决现有紫外物镜数值孔径小和对厚观察窗片引入的像差不能补偿的问题。
4.为实现本发明目的而提供的一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，包括有沿着像方到物方的方向依次设置的第一透镜、透镜组元和光学观察窗，所述透镜组元由第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，所述第一透镜具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度；
5.所述第一透镜为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；
6.所述第二透镜为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；
7.所述第三透镜为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；
8.所述第四透镜、第五透镜和第六透镜均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；
9.所述光学观察窗为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；
10.设显微物镜的焦距为f、第一透镜的焦距为f1，则它们之间满足下式的条件：
11.设显微物镜的焦距为f、透镜组元的焦距为f
lg
，则它们之间满足下式的条件：
12.设透镜组元中第二透镜的焦距为f2、第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4、第五透镜的焦距为f5、第六透镜的焦距为f6，则它们满足条件式
13.各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离由显微物镜的工作波长、工作距离和需补偿的光学观察窗片的厚度确定，所述光学观察窗片的厚度d满足3mm≤d≤10mm。
14.本发明的有益效果是：
15.与现有技术相比，本发明提供的一种数值孔径为0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作距离可达17mm(包括观察窗片)、并能够对不同紫外波长和不同厚度的观察窗片像差补偿进行优化。我们的设计可以通过优化实现紫外单色情况下具有厚玻璃观察窗的极端环境中的样品进行大视场范围的成像、分辨、光学操控和检测等操作的要求。附图2-6本发明显微物镜在波长为280.4、334.1和248.3nm情况下，光学观察窗口厚度为d＝5和2mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。通过对比可以看出根据本发明设计的显微物镜对紫外范围内的单色光场在中心视场为φ＜0.2mm的范围内都可达到衍射极限的分辨率。
附图说明
16.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
17.图1是本发明显微物镜的光学系统示意图；
18.图2是本发明显微物镜在工作波长为280.4nm、观察窗厚度为5mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图；
19.图3是本发明显微物镜在工作波长为280.4nm、观察窗厚度为2mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图；
20.图4是本发明显微物镜在工作波长为280.4nm、观察窗厚度为10mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图；
21.图5是本发明显微物镜在工作波长为334.1nm，观察窗厚度为5mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图；
22.图6是本发明显微物镜在工作波长为248.3nm，观察窗厚度为5mm时的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例1
25.如图1所示，一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作波长为280.4nm，补偿的光学观察窗厚度为d＝5mm。该显微镜从像方到物方依次由第一透镜1、透镜组元100和光学观察窗200组成，透镜组元100由第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6组成。第一透镜1具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光
焦度。
26.第一透镜1为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；第二透镜2为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；第三透镜3为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；光学观察窗200为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所有的透镜和光学观察窗均选用石英玻璃材料制作。
27.显微物镜的焦距为f＝24.66mm、第一透镜1的焦距为f1＝-93.1mm，满足下式的条件：透镜组元100的焦距为f
lg
＝27.58mm，满足下式的条件：透镜组元100中第二透镜2的焦距为f2＝157.3mm、第三透镜3的焦距为f3＝139.7mm，第四透镜4的焦距为f4＝429mm、第五透镜5的焦距为f5＝90.2mm、第六透镜6的焦距为f6＝74.7mm，它们满足条件式：＝74.7mm，它们满足条件式：
28.各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离如表1所示。由表1可以看出其包括玻璃观察窗时的工作距离大于15mm。
29.表1
30.波长：280.4nm
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sfh(0)：1.000
31.焦距：24.66mm
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sfh(0.1mm)：0.847
[0032][0033]
表1中sfh表示物方视场为0和0.1mm时的斯特尔(strehl)因子，图2是本实施例的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。可以看出本实施例针对d＝5mm的光学观察窗，其球差、慧差和场曲都得到良好的校正，在视场φ＝0.2mm内都趋于衍射极限，表明在此视场范围内该显微物镜都能对被观察样品在280.4nm波段进行高分辨的成像和观测。
[0034]
实施例2
[0035]
基本结构仍如图1所示，一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作波长为280.4nm，补偿的光学观察窗厚度为d＝2mm。该显微镜从像方到物方依次由第一透镜1、透镜组元100和光学观察窗200组成，透镜组元100由第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6组成。第一透镜1具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度。
[0036]
第一透镜1为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；第二透镜2为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；第三透镜3为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；光学观察窗片200为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所有的透镜和光学观察窗片均选用石英玻璃材料制作。
[0037]
显微物镜的焦距为f＝25.52mm、第一透镜1的焦距为f1＝-93.1mm，满足下式的条件：透镜组元100的焦距为f
lg
＝27.74mm，满足下式的条件：透镜组元100中第二透镜2的焦距为f2＝157.7mm、第三透镜3的焦距为f3＝139.7mm，第四透镜4的焦距为f4＝279.8mm、第五透镜5的焦距为f5＝88.8mm、第六透镜6的焦距为f6＝107.2mm，它们满足条件式：＝107.2mm，它们满足条件式：
[0038]
各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离如表2所示。由表2可以看出其包括玻璃观察窗时的工作距离大于14mm。
[0039]
表2
[0040]
波长：280.4nm
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sfh(0)：0.994
[0041]
焦距：25.52mm
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sfh(0.1mm)：0.803
[0042][0043]
表2中sfh表示物方视场为0和0.1mm时的斯特尔(strehl)因子，图3是本实施例在的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。可以看出本实施例针对d＝2mm的光学观察窗，其球差、慧差和场曲都得到良好的校正，在视场φ＝0.2mm内都趋于衍射极限，表明在此视场范围内该显微物镜都能对被观察样品在280.4nm波段进行高分辨的成像和观测。
[0044]
实施例3
[0045]
基本结构仍如图1所示，一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作波长为280.4nm，补偿的光学观察窗厚度为d＝10mm。该显微镜从像方到物方依次由第一透镜1、透镜组元100和光学观察窗200组成，透镜组元100由第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6组成。第一透镜1具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度。
[0046]
第一透镜1为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；第二透镜2为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；第三透镜3为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；光学观察窗片200为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所有的透镜和光学观察窗片均选用石英玻璃材料制作。
[0047]
显微物镜的焦距为f＝25.25mm、第一透镜1的焦距为f1＝-93.1mm，满足下式的条件：透镜组元100的焦距为f
lg
＝29.68mm，满足下式的条件：透镜组元100中第二透镜2的焦距为f2＝190.2mm、第三透镜3的焦距为f3＝139.7mm，第四透镜4的焦距为f4＝227.1mm、第五透镜5的焦距为f5＝147.9mm、第六透镜6的焦距为f6＝68.5mm，它们满足条件式：
[0048]
各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离如表3所示。由表3可以看出其包括玻璃观察窗时的工作距离大于20mm。
[0049]
表3
[0050]
波长：280.4nm
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sfh(0)：0.999
[0051]
焦距：25.25mm
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sfh(0.1mm)：0.829
[0052][0053]
表3中sfh表示物方视场为0和0.1mm时的斯特尔(strehl)因子，图4是本实施例在的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。可以看出本实施例针对d＝10mm的光学观察窗，其球差、慧差和场曲都得到良好的校正，在视场φ＝0.2mm内都趋于衍射极限，表明在此视场范围内该显微物镜都能对被观察样品在280.4nm波段进行高分辨的成像和观测。
[0054]
实施例4
[0055]
基本结构仍如图1所示，一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作波长为334.1nm，补偿的光学观察窗厚度为d＝5mm。该显微镜从像方到物方依次由第一透镜1、透镜组元100和光学观察窗200组成，透镜组元100由第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6组成。第一透镜1具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度。
[0056]
第一透镜1为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；第二透镜2为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；第三透镜3为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；光学观察窗片200为两面平行的玻璃板，垂直于光
轴放置；所有的透镜和光学观察窗片均选用石英玻璃材料制作。
[0057]
显微物镜的焦距为f＝25.60mm、第一透镜1的焦距为f1＝-95.9mm，满足下式的条件：透镜组元100的焦距为f
lg
＝27.59mm，满足下式的条件：透镜组元100中第二透镜2的焦距为f2＝167.4mm、第三透镜3的焦距为f3＝143.8mm，第四透镜4的焦距为f4＝261.5mm、第五透镜5的焦距为f5＝96.1mm、第六透镜6的焦距为f6＝76.3mm，它们满足条件式：＝76.3mm，它们满足条件式：
[0058]
各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离如表4所示。由表4可以看出其包括玻璃观察窗时的工作距离大于15mm。
[0059]
表4
[0060]
波长：334.1nm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
sfh(0)：1.000
[0061]
焦距：25.60mm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
sfh(0.1mm)：0.889
[0062][0063]
表4中sfh表示物方视场为0和0.1mm时的斯特尔(strehl)因子，图5是本实施例的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。可以看出本实施例针对d＝5mm的光学观察窗，其球差、慧差和场曲都得到良好的校正，在视场φ＝0.2mm内都趋于衍射极限，表明在此视场范围内该显微物镜都能对被观察样品在334.1nm波段进行高分辨的成像和观测。
[0064]
实施例5
[0065]
基本结构仍如图1所示，一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，工作波长为248.3nm，补偿的光学观察窗厚度为d＝5mm。该显微镜从像方到物方依次由第一透镜1、透镜组元100和光学观察窗200组成，透镜组元100由第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五
透镜5和第六透镜6组成。第一透镜1具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和第六透镜6具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度。
[0066]
第一透镜1为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；第二透镜2为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；第三透镜3为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；光学观察窗片200为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所有的透镜和光学观察窗片均选用石英玻璃材料制作。
[0067]
显微物镜的焦距为f＝25.30mm、第一透镜1的焦距为f1＝-90.48mm，满足下式的条件：透镜组元100的焦距为f
lg
＝27.08mm，满足下式的条件：透镜组元100中第二透镜2的焦距为f2＝163.3mm、第三透镜3的焦距为f3＝135.7mm，第四透镜4的焦距为f4＝355.7mm、第五透镜5的焦距为f5＝91.4mm、第六透镜6的焦距为f6＝72.9mm，它们满足条件式：＝72.9mm，它们满足条件式：
[0068]
各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离如表5所示。由表5可以看出其包括玻璃观察窗时的工作距离大于15mm。
[0069]
表5
[0070]
波长：248.3nm
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sfh(0)：1.000
[0071]
焦距：25.30mm
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sfh(0.1mm)：0.792
[0072][0073]
表5中sfh表示物方视场为0和0.1mm时的斯特尔(strehl)因子，图6是本实施例的波像差、纵向球差、像散、畸变和调制转移函数光学传递函数评价图。可以看出本实施例针
对d＝5mm的光学观察窗，其球差、慧差和场曲都得到良好的校正，在视场φ＝0.2mm内都趋于衍射极限，表明在此视场范围内该显微物镜都能对被观察样品在248.3nm波段进行高分辨的成像和观测。
[0074]
对于不同厚度的石英玻璃观察窗和不同波长，本发明可以在保持透镜组的数值孔径和基本结构不变，通过优化透镜的球面曲率半径和透镜之间的距离进行各种像差的校正。
[0075]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0076]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种na＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，其特征在于：包括有沿着像方到物方的方向依次设置的第一透镜(1)、透镜组元(100)和光学观察窗(200)，所述透镜组元(100)由第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)和第六透镜(6)组成，所述第一透镜(1)具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；所述第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)和第六透镜(6)具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度；所述第一透镜(1)为一个具有负光焦度的透镜，采用平凹结构，平面朝向像方凹面朝向物方；所述第二透镜(2)为一个具有正光焦度的透镜，采用对称的双凸结构；所述第三透镜(3)为一个具有正光焦度的平凸透镜，凸面朝向像方平面朝向物方；所述第四透镜(4)、第五透镜(5)和第六透镜(6)均采用弯月结构，凸面朝向像方凹面朝向物方；所述光学观察窗(200)为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；设显微物镜的焦距为f、第一透镜(1)的焦距为f1，则它们之间满足下式的条件：设显微物镜的焦距为f、透镜组元(100)的焦距为f
lg
，则它们之间满足下式的条件：设透镜组元(100)中第二透镜(2)的焦距为f2、第三透镜(3)的焦距为f3，第四透镜(4)的焦距为f4、第五透镜(5)的焦距为f5、第六透镜(6)的焦距为f6，则它们满足条件式，则它们满足条件式各透镜的表面曲率半径与厚度及透镜之间的距离由显微物镜的工作波长、工作距离和需补偿的光学观察窗片(200)的厚度确定，所述光学观察窗片(200)的厚度d满足3mm≤d≤10mm。

技术总结
本发明公开了一种NA＝0.7的紫外长工作距离平场显微物镜，从像方到物方依次由第一透镜、透镜组元和光学观察窗组成，所述透镜组元由第二、第三、第四、第五、第六透镜组成。所述第一透镜具有负的光焦度，主要用于场曲的校正；所述第二、第三、第四、第五、第六透镜具有正的光焦度，主要用于校正球差和慧差，同时增加光焦度。本发明显微物镜的工作距离可达15mm(包括光学观察窗片)。本发明能够在200-400nm紫外波段提供大工作距离和高分辨率的显微物镜，同时能对不同厚度的真空玻璃窗片引起像差进行优化调节和补偿，整个物镜采用二氧化硅光学玻璃加工的单片透镜组成，系统结构简单，可广泛用于极端环境下微米尺度的样品的紫外观测。用于极端环境下微米尺度的样品的紫外观测。用于极端环境下微米尺度的样品的紫外观测。


技术研发人员：李刚 杨鹏飞 张鹏飞 张天才
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/22