长工作距视频显微镜物镜设计

显微镜是有着漫长发展史的经典光学仪器之一,它的性能在不断提高,但显微物镜工作距离短在很大程度上限制了其应用。随着市场对长工作距离显微镜的迫切需求,其研发将具有重要意义。本文根据设计要求,初定物镜结构,然后利用ZEMAX进行设计、优化,给出了一工作距离150 mm、线视场0.8、放大倍率5倍、分辨力6μm的折射式以及折反射式显微物镜的设计结果,并对比了二者的优缺点。     

数字光刻缩微投影系统物镜的设计

针对高精度数字光刻的缩微光学投影系统,提出并设计了一种适用于0.7XGA型数字微反射镜(DMD)的6片式数字光刻缩微投影物镜。通过优化和拼接三片式物镜结构,得到数值孔径NA=0.1,放大倍率为-0.2558,分辨力达3.5μm,不受DMD栅格效应影响且达到衍射极限的缩微物镜。经过Zemax软件模拟得到其全视场光程差小于λ/5,145cycles/mm处的调制传递函数(MTF)大于0.58,充分说明该缩微物镜已经达到光刻物镜设计要求。利用Monte Carlo分析方法,模拟加工装配了100组镜头,设定空间频率为145cycles/mm时,90%的镜头FMTF>0.55,验证了加工装配实际可行。     

一种高分辨力电镜放大倍率的校准方法

针对集成电路制造中TEM检测分析的高正确度要求，本文介绍了一种高分辨力电子显微镜放大倍率的校准方法。该方法简单、方便，能够有效地减少系统误差，结果可靠，适用范围广。     

测长机头尾座物镜倍率误差的调修技术

本文依据测长机的工作原理,运用几何光学原理,导出了测长机物镜放大倍率有关表达式,对影响物镜倍率误差的主要因素头尾座焦距不等和双刻线分划板离焦问题进行了分析,并对测长机物镜倍率误差提出了具体的调修方法.     

散斑相关法标定电涡流传感器电压输出曲线

为了精确的测量电涡流传感器的距离-电压输出线性区间和线性位移精度,本文采用了显微散斑相关法对位移进行标定。首先,利用精度为5μm位移平台进行位移调节,得到位移和电涡流传感器输出电压的线性区间。然后,在线性区间内进行密集采样,通过显微照相系统采集散斑图,利用散斑相关法求出位移,得到更高精度的位移-电压曲线。分析了显微散斑照相的检测流程与检测精度;讨论了散斑尺寸对测量的影响。设计了测量光路参数：采用40×显微物镜配合20×读数显微镜可以实现64.5×的放大倍率。对40铬材料进行了位移-电压曲线标定实验,实验结果证明：本系统可以实现高精度的电涡流传感器位移标定,测量精度达到0.09μm,要实现更高精度的标定可以提高显微系统的放大倍率。     

体视显微镜物镜放大倍率误差校准方案设计

体视显微镜是利用光学原理把人眼所不能分辨的微小物体放大成像以供人们提取微细结构信息的光学仪器。物镜放大倍数误差是其主要的计量特性参数,直接影响显微镜测量结果的准确性。为保证体视显微镜的量值准确,本文研究设计体视显微镜物镜放大倍率误差校准方案,并对其校准结果不确定度进行了分析。研究结果表明,本文的校准方法切实可行,为体视显微镜物镜放大倍率误差的校准提供了技术依据。     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

基于色散共焦原理的内径测量技术研究

为了满足小口径深孔类零件的高精度非接触测量需求,研制了一套适用于较大测量范围的高分辨力光学测量系统。利用色散共焦测量原理,建立了微位移量系统,结合光谱分析技术,形成了高分辨力光学测量系统。首先,基于色散共焦原理,设计了色散物镜结构;其次设计爬行结构,利用电机带动反射镜旋转,完成深管不同截面的径向几何尺寸测量;再次,通过最小二乘法以及误差分析与补偿,对系统误差进行分析;最后通过搭建实验平台验证。结果表明：该测量系统可实现小测量范围达到5 mm,测量误差优于3.3μm,具有测量精度高、测量范围较大、结构紧凑等优点,对解决小尺寸深孔类零件内径测量难题具有重要实用意义。     

梯形误差校正的算法研究

介绍了梯形误差的产生，以及梯形误差的检测方法，根据物镜放大倍率变化与物距的函数关系，推导出梯形误差校正机构的运动距离，并进行了模块数据的验证。     

长度计量基础知识讲座（三十三）

第三十三讲光切显微镜 1结构和工作原理 光切显微镜其外形结构如图1所示,由基座、立柱、横臂、移动工作台、显微镜主体等组成。显微镜包括物镜和测微目镜。光切显微镜的物镜可根据被测件表面粗糙度的高低可换。通常轮廓的深度在30-80μm时，采用7倍物镜；10-30μm时，采用14倍物镜；2-10μm时，采用30倍物镜；0．8-2μm时，采用60倍物镜。小于0．8μm时，该仪器无法测量。     

激光探测告警光学系统设计

为满足激光探测告警光学系统对大视场和光学增益的要求,提出了宽视场有增益光学系统。该系统工作波长范围1.06~1.54μm,全视场角60°,最大口径28mm,PIN光电探测器光敏面直径2mm。物镜采用二片式反远距结构,增大了视场和后工作距离。弯月型负透镜在前,具有平衡像差和棱镜的偏向作用;物镜后放置高折射率标准超半球型浸没透镜,满足小光敏面探测器接收。分析结果表明,系统像高0.99mm,光学增益达15.33,结构简单,可有效降低激光辐射源功率、增强探测距离。     

不同粒径微米/亚微米颗粒布朗运动的实验研究

利用显微粒子追踪测速系统(Micro-PTV)对四种不同粒径(2μm、1μm、0.71μm、0.52μm)的颗粒在纯水中的布朗运动进行了实验研究.使用波长为532nm的连续激光器、电子倍增CCD(EMCCD)相机以及放大倍率为63倍的显微物镜得到颗粒图像.对原始图像进行处理,借助于Video Spot Tracker软件获得相邻两帧图像中示踪颗粒的单步位移,在此基础上计算颗粒在纯水中的实验扩散系数,分别为0.191μm2/s,0.391μm2/s,0.579μm2/s及0.746μm2/s.将计算结果与采用Stokes-Einstein公式计算的无限大空间单个颗粒理论扩散系数进行了比对,偏差在10%以内,实验值略小.实验结果能够正确反映微米(μm)/亚微米颗粒布朗运动的特征.     

用于大截面传像光纤束的折衍混合光学系统设计

在大截面传像束前置光学物镜设计中,采用“负-正”型式的像方远心光路结构,很好地解决了镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化。给出了前置物镜设计实例:工作波长0.8~1.1μm,焦距5mm,相对孔径为1:3.84,光学长度为47mm,视场角为60°。在光学耦接镜设计中采用物方远心光路结构,引入二元光学透镜,通过理论计算和ZEMAX光学软件优化,给出工作波长0.8~1.1μm,焦距33.6mm,光学长度为63.5mm,采用一个衍射面的耦接镜设计实例。该设计结果适用于单丝直径16μm,截面直径6mm的光纤传像束。     

压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析EI北大核心CSCD

针对微操作和微装配领域对微夹持器高位移放大比、多自由度和平动夹持的性能需求,采用双叶型桥式机构和平行四边形机构,设计了一种压电柔顺x-y微夹持器。利用有限元法建立了微夹持器的静力学与动力学模型,并通过ANSYS Workbench软件分析微夹持器的位移放大比、固有频率和输出耦合比。最后,搭建试验测试系统验证微夹持器的开环性能。试验结果表明:微夹持器x,y向的位移放大比分别为30.8和8.6,一阶固有频率为123.3 Hz;当施加10μm输入位移时,微夹持器x,y向的工作行程分别为0~616.6μm和0~51.0μm,夹持力范围为0~25.8 mN;微夹持器x,y向位移放大比与一阶固有频率的实验测试和仿真数值之间的相对误差分别为17.9%,19.8%,13.9%。试验结果验证了该理论模型和仿真分析的可行性。     

光谱共焦位移传感器的色散物镜设计

光谱共焦位移传感器具有精度高、适应性强等特点,传感器的关健部件是产生轴向色散的物镜.本文对传感器的工作原理进行了分析,推导了计算物镜光学参数的公式,并依据此公式计算结果设计物镜,得到了满足设计指标的物镜,且与理论计算相符.传感器的工作波长范围是500～700 nm,设计的色散物镜利用高色散玻璃和双胶合透镜达到了1 mm...     

基于图像测量的微刻线尺高精度检测

在高精度激光二坐标标准装置上实现了线宽2μm、最小线间距10μm的微刻线尺的高精度检测.采用高精度差动式激光干涉测长系统作为测长基准,高倍光学镜和高分辨力CCD组合作为精密光学瞄准定位反馈,设计了采样窗自动识别算法实现了条纹图像的自动识别瞄准,提出了采样窗内双向逐行扫描及3σ准则剔除离群点的边缘提取算法,提高了边缘检测精度.微刻线尺线间距的测量不确定度优于0.3μm,k=2,测量的重复性标准差优于20nm.     

利用Linnik显微干涉技术测量微结构动态特性

为了实现微结构的离面运动、幅频特性和谐振频率等动态参数的测量,设计开发了微结构动态测试系统,采用Linnik显微干涉结构,具有放大倍率高和工作距离长的特点.首先,系统利用频闪成像技术、五步相移方法和分割线去包裹算法测量微结构离面运动,然后,再通过扫频技术得到微结构的幅频特性和谐振频率.利用该测试系统对硅微悬臂梁的离面振动和幅频特性进行了测试,实验结果表明:硅微悬臂梁的谐振频率为13.03kHz,离面振动测量重复性误差小于10nm.系统具有较好的测量可重复性和较高的测量精度,能满足微结构动态特性测量对测试系统的性能要求.     

基于一新型数码照相机照相物镜的研制

介绍一种新型数码照相机照相物镜的研制过程。其光学系统总长≤55mm,焦距59．9mm,相对孔径1/4．8。此物镜结构简单,后工作距离大。检测证明该物镜成像质量符合设计要求。     

日本光学生产g线投影曝光装置

日本光学工业公司今年可能全部停止出售1兆位用的缩小投影曝光装置NSR.101013(缩小倍率为1/10,解象力为0.8μm)。101013是在1984年10月出售的,但由于采用短波长的i线(365nm)作曝光光源,曝光面积小,所以主要用于研究工作。i线抗蚀剂开发较晚,在此之前256K是采用g线(436nm)。该公司拟将使用g线的1505G3A的曝光装置解象力提高到0.8μm,由今     

基于Harris-Hough算法的芯片初始测试点对准方法

针对芯片测试设备中的机器视觉系统可以实现芯片自动对准的需求,提出一种基于Harris-Hough算法的芯片初始测试点对准方法。通过Harris角点检测算法获得图像中探针顶端的角点位置,建立图像位置定位基准;通过Hough变换提取芯片初始测试点位置,计算芯片初始测试点和探针顶端之间所需移动距离;在不同光学放大倍率下进行粗、细两步对准,达到所需定位精度要求。该方法经过Matlab编程实现,经测试验证,能够有效获得芯片初始测试点及探针顶端的位置坐标,准确度达到0.3μm。经过距离换算,可以为芯片测试设备的运动控制系统提供移动参数。