本發(fā)明涉及顯微物鏡設(shè)計(jì)，尤其是指一種顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、顯微鏡在自然科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)藥、工業(yè)質(zhì)檢以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。根據(jù)道威判據(jù)，顯微鏡的分辨率為λ/(2na)，λ為波長(zhǎng)，na為物鏡數(shù)值孔徑，隨著各應(yīng)用對(duì)顯微鏡分辨率需求的提升，檢測(cè)光源的波長(zhǎng)從可見(jiàn)光向紫外光縮短，這增加了色差校正的難度。除波長(zhǎng)縮短外，數(shù)值孔徑的增大也能提高物鏡分辨率，但這同時(shí)也加大了光學(xué)系統(tǒng)球差的校正難度。目前，顯微鏡很難同時(shí)獲得大視場(chǎng)和高分辨率性能，低倍率的物鏡(小于20x)通常視場(chǎng)大，如o?lympus?pln?4x物鏡視場(chǎng)可達(dá)5mm，但數(shù)值孔徑小(na＝0.1)，分辨率低。高倍率的物鏡(大于50x)視場(chǎng)小，如olympus?mxplfln50xbd物鏡視場(chǎng)小于0.6mm，數(shù)值孔徑大(na＝0.8)，分辨率高。由于大數(shù)值孔徑與大視場(chǎng)的物鏡具有很大的拉赫不變量，設(shè)計(jì)和研制難度極大，一般的商用物鏡都不具備這樣的性能。但這類物鏡能夠在獲得高分辨率顯微圖像的同時(shí)，大幅提高檢測(cè)效率，是各類應(yīng)用所急迫需要的。

2、隨著半導(dǎo)體芯片、基因測(cè)序及生命科學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，顯微光學(xué)系統(tǒng)的需求顯著增加，對(duì)其提出了高數(shù)值孔徑、大視場(chǎng)和寬譜段的技術(shù)要求。物鏡作為顯微光學(xué)系統(tǒng)的核心組件，直接影響整體的成像性能。目前，物鏡的成像光譜范圍逐漸從可見(jiàn)光擴(kuò)展至深紫外(duv)譜段，并且數(shù)值孔徑也在不斷增大。然而，由于紫外波段材料的限制，使得設(shè)計(jì)寬波段高na大視場(chǎng)的顯微鏡變得更加困難。

3、2015年，薛金來(lái)等人設(shè)計(jì)了一款平場(chǎng)復(fù)消色差顯微物鏡，其數(shù)值孔徑為0.75，視場(chǎng)為1.3mm，工作譜段為400～760nm，系統(tǒng)采用全透射式結(jié)構(gòu)，畸變小于2％，在可見(jiàn)光波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了復(fù)消色差，但不適用于紫外波段。為了解決寬譜段內(nèi)的色差校正問(wèn)題，還可以采用折反射式結(jié)構(gòu)。美國(guó)一項(xiàng)專利采用了這種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用浸沒(méi)式，數(shù)值孔徑達(dá)到1.2，視場(chǎng)為0.15mm，雖具有大的數(shù)值孔徑，但視場(chǎng)小。

4、2018年，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張新設(shè)計(jì)了一款浸液式顯微物鏡，其采用折反射式結(jié)構(gòu)，液體介質(zhì)為水或生物浸液，在320nm～800nm范圍內(nèi)具有1.0的高數(shù)值孔徑，鏡片采用球面和非球面設(shè)計(jì)，雖能具有較大的視場(chǎng)，可達(dá)2mm，但非球面加工困難，且加工和裝調(diào)公差嚴(yán)格，制造成本較高。

5、在基因測(cè)序領(lǐng)域，雖然浸液式顯微物鏡能夠提升數(shù)值孔徑并增大檢測(cè)通量，但液體介質(zhì)可能對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生一定影響，這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)非浸液式高數(shù)值孔徑物鏡成為國(guó)內(nèi)外科研人員亟待解決的技術(shù)難題。

6、目前，傳統(tǒng)的非浸液式高na商用顯微物鏡(如蔡司na0.9物鏡)，其成像譜段為400nm～700nm，視場(chǎng)一般僅0.1mm左右，但其只能用于可見(jiàn)光波段，難以滿足高分辨率大視場(chǎng)的紫外顯微物鏡需求。

7、美國(guó)kla-tencor?techno?l?ogies公司的幾項(xiàng)專利采用折反式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了高na寬波段的顯微物鏡，但其視場(chǎng)較小，僅0.15mm。該公司另一項(xiàng)專利設(shè)計(jì)了超高na的顯微物鏡，但僅適用于特定工作波長(zhǎng)，不適用于寬波段。

8、目前商用反射式物鏡(如beck?optron?ic?so?l?ut?ions?5006)雖能適用于紫外到紅外波段，但其na與視場(chǎng)較小，na為0.65，視場(chǎng)僅為0.34mm，且遮攔比較大。

9、上述現(xiàn)有技術(shù)中，已體現(xiàn)部分缺點(diǎn)，即目前顯微物鏡很難兼顧高分辨率和大視場(chǎng)、寬波段。

10、一般將200nm以上的紫外光分為三類：uv-a(320～400nm)、uv-b(280～320nm)、uv-c(200～280nm)。所謂寬波段紫外物鏡是指工作波段覆蓋上述紫外波段一種以上的紫外物鏡。為實(shí)現(xiàn)較寬的工作范圍，而由于紫外波段材料限制，現(xiàn)有的折射式紫外物鏡在消除色差的條件下一般只有較小的數(shù)值孔徑，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率，難以滿足紫外探測(cè)的工作要求。

11、目前折反式顯微物鏡，能夠在消色差條件下獲得較大的數(shù)值孔徑，但加工和裝配公差十分嚴(yán)格，研制難度大。

12、綜上，目前顯微物鏡很難兼顧高分辨率(對(duì)應(yīng)高數(shù)值孔徑)和大視場(chǎng)、寬波段的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中顯微物鏡的設(shè)計(jì)一般無(wú)法同時(shí)獲得大物鏡數(shù)值孔徑和大視場(chǎng)的問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸依次設(shè)置的前組、中組和后組，所述前組用于校正系統(tǒng)場(chǎng)曲和橫向色差；所述中組用于承擔(dān)光焦度；所述后組用于校正軸向色差和球差；

3、所述前組包括依次設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡；

4、所述中組包括第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡和第十透鏡；

5、所述后組包括凹面反射鏡、彎月透鏡和曼金鏡；

6、所述凹面反射鏡的中央設(shè)有第一圓形開(kāi)孔，所述曼金鏡后表面外鍍有反射膜且曼金鏡后表面的反射膜設(shè)有第二圓形開(kāi)孔；

7、所述前組焦距范圍為40＜|ffront/f|＜250，其中，f為整個(gè)顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦距，ffront為前組的焦距；

8、所述中組焦距范圍為1.5＜fmiddle/f＜4，其中，fmiddle為中組的焦距；

9、所述后組焦距范圍為2＜fback/f＜7，其中，fback為后組的焦距；

10、所述凹面反射鏡的焦距范圍為0.5＜fmirror/fback＜1.5，其中，fmirror為凹面反射鏡的焦距；

11、所述后組的孔徑角放大倍率β范圍為1.5＜β＜2。

12、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一透鏡為正透鏡，所述第二透鏡為負(fù)透鏡，所述第三透鏡為正透鏡，所述第四透鏡為正透鏡。

13、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第五透鏡為正透鏡，所述第六透鏡為正透鏡，所述第七透鏡為負(fù)透鏡，所述第八透鏡為正透鏡，所述第九透鏡為正透鏡，所述第十透鏡為正透鏡。

14、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述彎月透鏡為負(fù)透鏡，所述彎月透鏡的前表面和后表面對(duì)應(yīng)的球心均位于彎月透鏡的同側(cè)，并且球心位于靠近曼金鏡的一側(cè)。

15、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述彎月透鏡與凹面反射鏡為分離裝配形式，所述彎月透鏡與曼金鏡為分離裝配形式。

16、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述凹面反射鏡的第一圓形開(kāi)孔和凹面反射鏡的直徑比例滿足：d1孔/d1鏡<0.2，其中，其中，d1孔為第一圓形開(kāi)孔直徑，d1鏡為凹面反射鏡直徑。

17、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述曼金鏡后表面反射膜的第二圓形開(kāi)孔和曼金鏡的直徑滿足：0.05<d2孔/d2鏡<0.1，其中，d2孔為曼金鏡后表面反射膜的第二圓形開(kāi)孔直徑，d2鏡為曼金鏡后表面的反射膜直徑。

18、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括用于校正高階相差的第十一透鏡，所述第十一透鏡為正透鏡，所述第十一透鏡設(shè)置在中間像至彎月透鏡之間任意位置，所述中間像形成于凹面反射鏡和第十透鏡之間。

19、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、凹面反射鏡、彎月透鏡和曼金鏡的材質(zhì)均為二氧化硅；

20、或者所述第八透鏡和第十透鏡的材質(zhì)均為氟化鈣，所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第九透鏡、凹面反射鏡、彎月透鏡和曼金鏡的材質(zhì)均為二氧化硅。

21、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括用于消除雜光、限制成像光束的光闌，所述光闌設(shè)置于第五透鏡上，或者所述光闌設(shè)置在第四透鏡和第五透鏡之間。

22、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

23、本發(fā)明所述的顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)具有更高的數(shù)值孔徑(na)和更大的視場(chǎng)范圍，且具有更小的中心遮攔，可實(shí)現(xiàn)na達(dá)到0.9的大數(shù)值孔徑和最大1mm的視場(chǎng)范圍，該顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)可用于半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)、基因測(cè)序領(lǐng)域、生命科學(xué)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域；

24、本發(fā)明的后組結(jié)構(gòu)采用凹面反射鏡、彎月透鏡，曼金鏡結(jié)構(gòu)，使后組結(jié)構(gòu)具有較松的公差，降低裝配難度；

25、本發(fā)明可以使用sio2或caf2其中一種單一材料在寬波段消色差，也可同時(shí)使用這兩種材料獲得更優(yōu)的性能和更低的加工裝配難度；

26、本發(fā)明所有光學(xué)元件表面均為球面，降低了加工難度，便于實(shí)際應(yīng)用。