一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法技术

一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法，涉及光学检测领域，尤其涉及显微物镜数值孔径(NA)的测量，包括对液浸及固浸显微物镜NA的测量。它解决了目前测量物镜数值孔径时操作繁琐的问题，还能进一步提高测量精度。所述方法包括，光束通过衍射光栅后发生多缝衍射，经显微物镜后，可在其后焦面处观测到衍射条纹。通过确定衍射条纹位置与后焦面视场边界位置，并根据二者与物镜数值孔径间的函数关系，即可计算得到显微物镜的数值孔径。本发明专利技术还可以利用计算机对图像传感器上得到的衍射图像进行识别，实现显微物镜数值孔径的高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法
本专利技术涉及光学检测领域，尤其涉及一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径的测量方法。
技术介绍
显微系统的核心部件是显微物镜，整个显微系统的性能由显微物镜决定，而数值孔径是判断显微物镜性能(分辨率、焦深、亮度等)的重要参数，良好的数值孔径测量方法对显微物镜光机设计及集成工艺等具有重要意义。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，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，还需要借助辅助物镜，操作较为复杂，难以实现自动检测。基于全反射原理的显微物镜数值孔径的测量方法相对简单，但测量基准单一，一旦全反射吸收圆的位置出现偏差，会对测量结果产生很大影响，并且为了产生全反射现象，待测显微物镜的数值孔径本身就必须足够大使得入射光满足激发全反射的角度，即全反射现象不适用于对低数值孔径物镜的测量。本专利技术提出了一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法，平行光束通过光栅后发生衍射，经过有限数值孔径的显微物镜成像后，可在显微物镜的焦面上观察到衍射条纹。通过确定衍射条纹位置与后焦面视场边界位置，并根据二者与物镜数值孔径间的函数关系，即可计算得到显微物镜的数值孔径。该方法既无须繁琐操作，又有复数的衍射条纹作为复数的测量基准，提高测量精度。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题传统的测量显微物镜数值孔径的系统操作繁琐；现有方法测量基准单一，测量结果容易出现较大误差。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径的非机械式检测方法，包括：准直照明光源、衍射光栅、待测显微物镜、成像透镜组。衍射光栅置于待测显微物镜的焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜焦面的共轭面上，图像传感器置于待测显微物镜的后焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜后焦面的共轭面上，所述装置中，准直照明光源发出的准直光和待测显微物镜共轴，准直照明光源发出的准直光束照射在衍射光栅上发生衍射并在显微物镜的后焦面成像，从图像传感器上可获得多级衍射条纹；通过以下公式获得待测显微物镜数值孔径：上式中，NA代表待测显微物镜的数值孔径；n0表示显微物镜与衍射光栅间介质的折射率；k代表衍射条纹的级数，θk代表第k级衍射条纹对应的衍射角；xm为待测显微物镜后焦面上的最大光圈位置，xk为图像传感器上获得的显微物镜后焦面上第k级衍射条纹位置；其中，θk可由衍射光栅明纹公式获得：上式中，d代表光栅常数，λ代表入射光波长。(三)有益效果本专利技术的技术方案具有如下优点：对检测显微物镜数值孔径的设备和操作流程要求不高；既可以对低NA的显微物镜进行测量，也可以用于高NA的液浸及固浸显微物镜；任意选择不同级数的衍射条纹，都可以得到相应的测量结果，综合多个测量结果可有效提高测量精度；图像传感器上得到的衍射图样还可以通过计算机进行识别来实现显微物镜数值孔径的高精度自动测量。附图说明图1是本专利技术所述的一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法的原理图；图2是本专利技术所属的一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法中，经显微物镜成像的衍射条纹示意图；图3是本专利技术所述的一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量的一种具体实施方法的系统示意图；图1中：1：入射光2：衍射光栅3:显微物镜4：图像传感器；图3中：1：准直照明光源；2：分光棱镜；3：透镜1；4：待测显微物镜；5：衍射光栅；6：透镜2；7：图像传感器，图3(a)中为衍射光栅为反射式光栅时的系统示意图，图3(b)中为衍射光栅为透射光栅时的系统示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。具体实施方式1：结合图3(a)中的光路说明本实施方式，此时衍射光栅(5)为反射式光栅，本实施方式中所述的一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径方法，目的在于通过衍射效应和显微物镜的成像作用得到待测显微物镜的数值孔径，它包括：准直照明光源(1)；分光棱镜(2)；透镜1(3)；待测显微物镜(4)；衍射光栅(5)；透镜2(6)；图像传感器(7)。所述准直照明光源(1)发出的准直光束经分光棱镜(2)和透镜1(3)后，由待测显微物镜(4)汇聚后照射在衍射光栅(5)上后，衍射光线反射后经由待测显微物镜(4)、透镜1(3)、分光棱镜(2)和透镜2(6)后，在图像传感器(7)上得到多级衍射条纹，通过以下公式获得待测显微物镜数值孔径：上式中，NA代表待测显微物镜的数值孔径；n0表示显微物镜与衍射光栅间介质的折射率；k代表衍射条纹的级数，θk代表第k级衍射条纹对应的衍射角；xm为待测显微物镜后焦面上的最大光圈位置，xk为图像传感器上获得的显微物镜后焦面上第k级衍射条纹位置；其中，θk可由衍射光栅亮纹公式获得：上式中，d代表光栅常数，λ代表入射光波长。在本例中，如图1和图2所示，可以使用第±1、±2级衍射明纹，但在实际情况中，并不局限于第±1、±2级衍射明纹。具体实施方式2：结合图3(b)中的光路说明本实施方式，此时衍射光栅(5)为透射式光栅，本实施方式中所述的一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径方法，目的在于通过衍射效应和显微物镜的成像作用得到待测显微物镜的数值孔径，它包括：准直照明光源(1)；衍射光栅(5)；待测显微物镜(5)；图像传感器(7)。所述准直照明光源(1)发出的准直光束照射在衍射光栅(5)上后，产生的衍射光线经由待测显微物镜(4)在图像传感器(7)上得到多级衍射条纹，通过具体实施方式1中的公式获得待测显微物镜数值孔径。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法，其特征在于，应用所述器件对待测显微物镜进行数值孔径的测量，所述器件包括：准直照明光源、衍射光栅、待测显微物镜、图像传感器、成像透镜组、分光棱镜；衍射光栅置于待测显微物镜的焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜焦面的共轭面上，图像传感器置于待测显微物镜的后焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜后焦面的共轭面上，所述装置中，准直照明光源发出的准直光和待测显微物镜共轴；所述数值孔径测量方法，其特征还在于，所述器件中衍射光栅类型为透射式光栅或反射式光栅，为一维光栅或者二维光栅；所述数值孔径测量方法，其特征还在于：准直照明光源发出的准直光束照射在衍射光栅上发生衍射并在显微物镜的后焦面成像，从图像传感器上可获得多级衍射条纹；所述数值孔径测量方法，其特征还在于，采用以下公式获得待测显微物镜数值孔径：

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光栅的显微物镜数值孔径测量方法，其特征在于，应用所述器件对待测显微物镜进行数值孔径的测量，所述器件包括：准直照明光源、衍射光栅、待测显微物镜、图像传感器、成像透镜组、分光棱镜；衍射光栅置于待测显微物镜的焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜焦面的共轭面上，图像传感器置于待测显微物镜的后焦面上或者经由成像透镜组置于待测显微镜后焦面的共轭面上，所述装置中，准直照明光源发出的准直光和待测显微物镜共轴；所述数值孔径测量方法，其特征还在于，所述器件中衍射光栅类型为透射式光栅或反射式光栅，为一维光栅或者二维光栅；所述数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蓓，肖天宇，王希奇，闫鹏，胡庆雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11