GA VIS系列长工作距离显微镜 | 联合光科
GA VIS系列长工作距离显微镜
联合光科的GA VIS系列长工作距离显微镜,其工作距离可以达到100mm,300mm,甚至1000mm。 靶面尺寸可达18mm,工作距离在1米时分辨率可达7μm。可匹配可见光相机,组成长工作距离显微系统。
GA VIS系列长工作距离显微镜

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F/#

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1.1"(18mm)
22
910mm~∞
450-680nm
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¥188,000.00
1.1"(18mm)
F22
550mm-1500mm
350-2000nm
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¥188,000.00
前言

目前市面上的绝大数是显微物镜的工作距离都比较短,而市场上又有对长工作距离显微镜的需求,以适应一些特殊的情况。所以设计了为需要在物镜与样品间保持较大物理间距的场景设计的光学仪器,其核心特点在于工作距离(物镜前端到样品表面的距离)显著长于常规显微镜。这类显微镜通过特殊的物镜设计和光路优化,在保证成像质量的同时,允许操作人员在观察过程中对样品进行干预(如微操作、激光加工等),或适应复杂的样品形态(如大型工件、曲面物体)。

一、分辨率和NA值的关系

1. 先了解一下有关分辨率的概念
分辨率:可以将密集的点区分为单个的点的能力。
分辨率极限(最大分辨率):可识别为不同点的最小间距。光学分辨率极限的判定,最早是由物理学家恩斯特阿贝博士在1873年发现,可判定任何光学成像的分辨率理论极限。
艾里斑:凸透镜能将入射光聚焦到它的焦点上,但由于透镜口径有一定大小,光线透过时会由于波动特性会发生衍射,无法将光线聚成无限小的焦点上,而只会形成一定能量分布的光斑。中央是明亮的圆斑,周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹,把其中以第一暗环为界限的中央亮斑称为艾里斑(AiryDisk)。图1为两个等光强的艾里斑从重叠到逐步分开的影像。

              图1

2. 阿贝简单判定和瑞利判定
最终,阿贝博士得出的阿贝简单判定(AbbeSimpleCriterion)为:
    
式中λ为使用光线的波长值,n为光路中透镜对介质的折射率系数,α为入射光束与透镜光轴间的夹角。

但是在实际应用中,被测物体不是一个点而是一系列物点的集合。每一个物点经过有限直径的透镜后,在像平面上都会产生文中开头提到的艾里斑,如果两个物点的艾里斑重叠到无法分辨,我们则认为这两个物点无法被分辨,图4中让两个等光强的非相干点像逐步分开,当两个点像中心间隔等于艾里斑的半径R,这样的艾里斑可以被认为是物点可以被分辨的最小尺寸,这种不同于阿贝简单判定的方式叫做瑞利判定(RayleighCriterion)。


          图4

那么我们来计算一下按照瑞利判定,可被分辨的艾里斑的半径(也就是可以被分辨的最小尺寸)与生成这个艾里斑的光波波长的关系。图5为原理示意图



          图5


中间演算过程涉及到冗长的傅里叶级数变换以及各种函数方程,最终计算结果为:

式中λ为使用光线的波长值,n为光路中透镜对介质的折射率系数,α为入射光束与透镜光轴间的夹角,NA为数值孔径代表折射率系数与入射光束与透镜光轴间夹角的积
在波长固定情况下,为保障系统分辨率,采用的往往是增大NA值。

二、数值孔径(NA)值对工作距离(WD)影响

工作距离(WD)的定义,物镜前透镜表面到样品表面的垂直距离。

NA = n · sinθ

数值孔径与折射系数成正比,与入射光束和光轴夹角成反比。

增大数值孔径的方法
1. 增加折射系数
油浸水浸物镜,这种一般用在特殊的观测下使用。被测物能在液体环境下不受影响下可以使用,但使用液浸操作复杂,成本高等缺点,很多情况也不会去使用。
 
介质 折射率(n) 典型应用
空气 1.0003   普通光学系统参考基准
1.333   水浸物镜,水下成像
玻璃 1.52-1.95   显微镜载玻片,光纤芯
浸油 1.515   浸油物镜(如NA=1.4)
钻石 2.417   高色散光学元件

2. 增大sinθ
即增大θ 的值,而θ 取值范围在0-Π之间,也可以是物镜口径和工作距离挂钩。所以有两种方式去优化,增大物镜口径,减小工作距离。大多数显微镜的口径都不会超过33mm,所以为了提高分辨率,增大NA,工作距离做的都非常的短。


三、常规显微镜
 
品牌 型号 放大倍数 NA 工作距离 分辨率(μm) 特色技术 适用场景
蔡司  A-Plan 5× 5x 0.15 45mm 2.2  复消色差 + 远心设计  材料科学、金相分析
奥林巴斯  LMPLFLN
 60mm 5×
5x 0.7 60mm 0.22  明暗场切换 + 低畸变  半导体检测、微纳加工
尼康  CFI Plan
 Apo λ 4×
4x 0.13 20mm 2.5  无限远校正 + 荧光兼容  生物医学、病理切片
麦克迪奥  CDM-980
 10×
10x 0.25 8.5mm 1.3  景深扩展 + 偏光观察  工业检测、PCB 检查
徕卡  HC Plan
 10×/0.30
10x 0.3 4.5mm 1.1  高对比度 + 机械稳定性  生命科学、活细胞成像

上面找了几家知名的物镜品牌的产品数据,几乎所以的物镜的工作距离都比较短,在正常检测过程中能满足大多数情况。但在一些特殊情况下,如晶体生长和集成电路的监测。需要在隔窗的远距离检测,要想观测到细微的变化。常规的显微镜工作距离很小,远远不能满足要求。所以决定推出这款长工作距离显微镜。


四、长工作距离显微镜

1. 长工作距离显微镜的设计思路
在设计长工作距离显微镜时,有两种设计思路,一种是与常规显微镜相似的透射式显微镜,在光路设计中,没有发生折射光线。而另一种是当前采用的设计方式,采用折射式设计,通过凹面主镜与凸面副镜的组合折叠光路,使光线在镜筒内往返两次后聚焦,再通过镜片组完成显微成像。这样设计方式相较于第一种思路,在相同的成像条件下,体积小,结构轻盈,更好的光学性能。
 

 

2. 光学性能优化
色差控制:反射镜对不同波长光线的反射角度一致,天然消除色差。
像差校正:非球面反射镜(如抛物面、双曲面)有效抑制球差和彗差,结合多层宽带镀膜技术提升透光率。

五、应用场景

1. 工业制造与质量控制
半导体行业:晶体生长和集成电路的监测。可以用来实时监视晶体的生长速度和形态变化,或对集成电路生产进行在线监测。
钢铁、玻璃制造过程的监测。在生产现场就可以在钢铁、玻璃冷却定型之前就开始进行微观监测和缺陷筛选,以保证产品的质量。

2. 医疗方向
医疗手术与研究。可广泛地应用于显微外科、神经外科、骨科、眼科、皮肤病、烧伤以及五官科等医疗领域。对于动物试验,生物医学和植物学研究同样具有极大的实用性。

3. 特殊环境与复杂结构
真空/高温检测:
灯泡内灯丝检测(需密封窗口)、核反应堆材料高温服役监测(如合金709在950℃下的裂纹扩展分析)。
材料微观观测。既可对样品作静态观测,又能进行动态观测,既可以使显微镜在样品上移动观测,又可以在样品处于高温、高湿、有腐蚀性气体环境下观测样品的微观变化,如:金属在高温下的热膨胀、裂变、疲劳等的实时观测。
公安司法鉴定取证。在不破坏现场的条件下,将手印、子弹痕迹、爆炸物残迹等微观痕迹直接摄录下来,从而避免因取样而对现场造成的破坏。

 

我公司有两种类型的手册: 光学器件&光电仪器手册视觉成像手册

光学器件&光电仪器手册:手册中的产品包括有:光学元件、激光元件、光机元件、运动控制、成像元件、光源&激光光源、光电器件、测量仪器、光学材料等。除了这些标准产品外,还提供大尺寸超精密平面光学元件定制、球面光学定制、非球面光学定制、成像镜头设计定制、光学设计定制以及精密角度元件定制。
 

视觉成像手册:手册中的产品包括有:定焦镜头、远心镜头、变焦变倍镜头、线扫镜头、短波近红外镜头(SWIR)、360°外侧环视镜头、VIS-NIR镜头、中继镜、增距镜,远红外镜头、相机等。除了标准镜头产品外,还提供镜头的设计与开发。
 

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