一种显微物镜光学系统

本发明涉及显微物镜设计，尤其是指一种显微物镜光学系统。

背景技术：

1、显微镜在自然科学研究和工业生产的多个方面都发挥着关键作用，广泛应用于半导体制造、生物医药、工业质检以及环境科学等领域。根据道威判据，显微镜的分辨率为λ/(2na)，λ为波长，na为物镜数值孔径，随着各应用对显微镜分辨率需求的提升，检测光源的波长从可见光向紫外光缩短，这增加了色差校正的难度。除波长缩短外，数值孔径的增大也能提高物镜分辨率，但这同时也加大了光学系统球差的校正难度。目前，显微镜很难同时获得大视场和高分辨率性能，低倍率的物镜(小于20x)通常视场大，如o lympus pln 4x物镜视场可达5mm，但数值孔径小(na＝0.1)，分辨率低。高倍率的物镜(大于50x)视场小，如olympus mxplfln50xbd物镜视场小于0.6mm，数值孔径大(na＝0.8)，分辨率高。由于大数值孔径与大视场的物镜具有很大的拉赫不变量，设计和研制难度极大，一般的商用物镜都不具备这样的性能。但这类物镜能够在获得高分辨率显微图像的同时，大幅提高检测效率，是各类应用所急迫需要的。

2、随着半导体芯片、基因测序及生命科学等领域的快速发展，显微光学系统的需求显著增加，对其提出了高数值孔径、大视场和宽谱段的技术要求。物镜作为显微光学系统的核心组件，直接影响整体的成像性能。目前，物镜的成像光谱范围逐渐从可见光扩展至深紫外(duv)谱段，并且数值孔径也在不断增大。然而，由于紫外波段材料的限制，使得设计宽波段高na大视场的显微镜变得更加困难。

3、2015年，薛金来等人设计了一款平场复消色差显微物镜，其数值孔径为0.75，视场为1.3mm，工作谱段为400～760nm，系统采用全透射式结构，畸变小于2％，在可见光波段内实现了复消色差，但不适用于紫外波段。为了解决宽谱段内的色差校正问题，还可以采用折反射式结构。美国一项专利采用了这种结构，系统采用浸没式，数值孔径达到1.2，视场为0.15mm，虽具有大的数值孔径，但视场小。

4、2018年，长春光学精密机械与物理研究所的张新设计了一款浸液式显微物镜，其采用折反射式结构，液体介质为水或生物浸液，在320nm～800nm范围内具有1.0的高数值孔径，镜片采用球面和非球面设计，虽能具有较大的视场，可达2mm，但非球面加工困难，且加工和装调公差严格，制造成本较高。

5、在基因测序领域，虽然浸液式显微物镜能够提升数值孔径并增大检测通量，但液体介质可能对检测产生一定影响，这是一个需要解决的问题。因此，开发非浸液式高数值孔径物镜成为国内外科研人员亟待解决的技术难题。

6、目前，传统的非浸液式高na商用显微物镜(如蔡司na0.9物镜)，其成像谱段为400nm～700nm，视场一般仅0.1mm左右，但其只能用于可见光波段，难以满足高分辨率大视场的紫外显微物镜需求。

7、美国kla-tencor techno l ogies公司的几项专利采用折反式结构设计了高na宽波段的显微物镜，但其视场较小，仅0.15mm。该公司另一项专利设计了超高na的显微物镜，但仅适用于特定工作波长，不适用于宽波段。

8、目前商用反射式物镜(如beck optron ic so l ut ions 5006)虽能适用于紫外到红外波段，但其na与视场较小，na为0.65，视场仅为0.34mm，且遮拦比较大。

9、上述现有技术中，已体现部分缺点，即目前显微物镜很难兼顾高分辨率和大视场、宽波段。

10、一般将200nm以上的紫外光分为三类：uv-a(320～400nm)、uv-b(280～320nm)、uv-c(200～280nm)。所谓宽波段紫外物镜是指工作波段覆盖上述紫外波段一种以上的紫外物镜。为实现较宽的工作范围，而由于紫外波段材料限制，现有的折射式紫外物镜在消除色差的条件下一般只有较小的数值孔径，仍无法实现高分辨率，难以满足紫外探测的工作要求。

11、目前折反式显微物镜，能够在消色差条件下获得较大的数值孔径，但加工和装配公差十分严格，研制难度大。

12、综上，目前显微物镜很难兼顾高分辨率(对应高数值孔径)和大视场、宽波段的要求。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中显微物镜的设计一般无法同时获得大物镜数值孔径和大视场的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种显微物镜光学系统，包括沿光轴依次设置的前组、中组和后组，所述前组用于校正系统场曲和横向色差；所述中组用于承担光焦度；所述后组用于校正轴向色差和球差；

3、所述前组包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

4、所述中组包括第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；

5、所述后组包括凹面反射镜、弯月透镜和曼金镜；

6、所述凹面反射镜的中央设有第一圆形开孔，所述曼金镜后表面外镀有反射膜且曼金镜后表面的反射膜设有第二圆形开孔；

7、所述前组焦距范围为40＜|ffront/f|＜250，其中，f为整个显微物镜光学系统的焦距，ffront为前组的焦距；

8、所述中组焦距范围为1.5＜fmiddle/f＜4，其中，fmiddle为中组的焦距；

9、所述后组焦距范围为2＜fback/f＜7，其中，fback为后组的焦距；

10、所述凹面反射镜的焦距范围为0.5＜fmirror/fback＜1.5，其中，fmirror为凹面反射镜的焦距；

11、所述后组的孔径角放大倍率β范围为1.5＜β＜2。

12、在本发明的一个实施例中，所述第一透镜为正透镜，所述第二透镜为负透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第四透镜为正透镜。

13、在本发明的一个实施例中，所述第五透镜为正透镜，所述第六透镜为正透镜，所述第七透镜为负透镜，所述第八透镜为正透镜，所述第九透镜为正透镜，所述第十透镜为正透镜。

14、在本发明的一个实施例中，所述弯月透镜为负透镜，所述弯月透镜的前表面和后表面对应的球心均位于弯月透镜的同侧，并且球心位于靠近曼金镜的一侧。

15、在本发明的一个实施例中，所述弯月透镜与凹面反射镜为分离装配形式，所述弯月透镜与曼金镜为分离装配形式。

16、在本发明的一个实施例中，所述凹面反射镜的第一圆形开孔和凹面反射镜的直径比例满足：d1孔/d1镜<0.2，其中，其中，d1孔为第一圆形开孔直径，d1镜为凹面反射镜直径。

17、在本发明的一个实施例中，所述曼金镜后表面反射膜的第二圆形开孔和曼金镜的直径满足：0.05<d2孔/d2镜<0.1，其中，d2孔为曼金镜后表面反射膜的第二圆形开孔直径，d2镜为曼金镜后表面的反射膜直径。

18、在本发明的一个实施例中，还包括用于校正高阶相差的第十一透镜，所述第十一透镜为正透镜，所述第十一透镜设置在中间像至弯月透镜之间任意位置，所述中间像形成于凹面反射镜和第十透镜之间。

19、在本发明的一个实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、凹面反射镜、弯月透镜和曼金镜的材质均为二氧化硅；

20、或者所述第八透镜和第十透镜的材质均为氟化钙，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第九透镜、凹面反射镜、弯月透镜和曼金镜的材质均为二氧化硅。

21、在本发明的一个实施例中，还包括用于消除杂光、限制成像光束的光阑，所述光阑设置于第五透镜上，或者所述光阑设置在第四透镜和第五透镜之间。

22、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

23、本发明所述的显微物镜光学系统具有更高的数值孔径(na)和更大的视场范围，且具有更小的中心遮拦，可实现na达到0.9的大数值孔径和最大1mm的视场范围，该显微物镜光学系统可用于半导体晶圆检测、基因测序领域、生命科学、工业检测等领域；

24、本发明的后组结构采用凹面反射镜、弯月透镜，曼金镜结构，使后组结构具有较松的公差，降低装配难度；

25、本发明可以使用sio2或caf2其中一种单一材料在宽波段消色差，也可同时使用这两种材料获得更优的性能和更低的加工装配难度；

26、本发明所有光学元件表面均为球面，降低了加工难度，便于实际应用。