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明暗场正置金相显微镜照明系统设计

时间:2010-12-16

第32卷第1期 2010年2月

光学仪器
0PrICAL INS汀RUMENTS

文章编号:1005—5630(2010)01—0039—05

V01.32。No.1 February,2010

吵暗场正置金相显微镜照明系统设计 *
李弥高,古成 昌,罗小 英
(广州粤显光学仪器有限责任公司,广东广州510095)
摘要:明/暗场正置金相显微镜是一种多用途的工业检测仪器,近年来应用领域越来越广泛。现 从暗场显微镜的光学原理入手,分析明/暗场正置金相显微镜照明系统的结构特点,提出照明系 统的结构方案,着重介绍落射式暗场聚光镜的设计方法,以实例的形式得到相应暗场聚光镜反 射面的主截面双曲线方程,并运用PRO/ENGINEER的基准曲线创建功能,提出一种有效的曲 线创建与曲面加工方法。结果证明采用双曲面作为落射式暗场聚光镜的反射面能有效提高轴 外照明光束的利用率,设计与加工方法是可行的。 关键词:暗场显微镜;照明系统;暗场聚光镜;双曲线方程;Pro/ENGINEER 中图分类号:TH 742.4文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1005—5630.2010.01.009

Design of illuminating system in bright or dark field upright metallurgical microscope
LI Migao,GU Chengchang,LUO Xiaoying
(Guangzhou Liss Optical Instruments Co.,Lt也,Guangzhou 510095.China)
Abstract:The bright or dark field upright metallurgical microscope is a kind of multipurpose industry check and measure instrument,this kind of microscope application field is more wider in recent years.Beginned with the optical principle of dark field microscope,the structure characteristics of illuminating system in bright or dark field microscope are analyzed.The structure scheme of illuminating system is bringed forward.Emphatically introduce the design method of reflected dark field condenser and obtain the hyperbolic equation of main section of the reflected surface of dark field condenser in the design example,and bring forward the method that creat datum curve and machining curved surface taking advantage of the function of creating curve in Pro/ENGINEER.Results show that the off-axis illuminating beam utilization factor is increased effectively when adopt the hyperboloid as the reflected surface of reflected dark field condenser,the method of design and machining is practical. Key words:dark field microscope;illuminating system;dark field condenser;hyperboloid equation;Pro/ENGINEER

引言 已有一百多年历史的光学金相显微镜,由于它具有观察范围大、使用方便、设备成本低等优点,目前
仍然是生产和科学研究中最常用的一种工具。随着电子信息产业的快速发展,集成电路的集成度不断提 高,在线检测或非接触无电检测已成为产品制造过程中必不可少的工序,明/暗场正置金相显微镜特别适
’收稿日期:2009-07—29 作者简介:李弥高(1975一),男,湖南邵东人,工程师,学士,主要从事光学显微镜设计方面的研究。
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光学仪器

第32卷

用于非均质材料表面组织与形态的检测与分析,是材料科学与电子信息产业的理想装备。 1落射式明/暗场正置显微镜原理

落射式暗场显微镜(The reflected light dark field microscope)是利用光学上的丁达尔效应,使通过聚 光系统的光源中央光束被环形遮光板阻挡,不能由上而下地通过物 镜照射在标本上,而是使照明光线改变路径后倾斜地照射在观察标 本上,标本受照后发生反射与散射,由于照明光束处于物镜的孑L径

之外而不能进入物镜,只有标本各个方向上的散射光线被物镜所捕 获。当光路中没有物体时,整个视场是完全黑暗的,因此称为暗视 野[1]。落射式暗场显微镜照明系统原理如图l所示。

利用暗场技术可以观察到普通明场看不见的物体。由于成像

对比度好,即使小于物镜分辨力的微粒,每个微粒的衍射光在暗背

景中形成各自的彩色衍射光环,因此观察者仍可觉察到微粒的存

在,这是超显微术的一种形式‘引。

图1落射式暗场显微镜照明系统原理图

明/暗场正置金相显微镜是指在明场正置金相显微镜的基础上 增加暗场照明装置,并采用明暗场共用物镜,通过明、暗场照明切换

p.,1&h—n。dlag。锄?¨h? 111一m‘:n1 8j8:?:∞嘣k‘ed

装置实现不同照明条件下的显微观察。





暗视场照明具有以下优点L3]: (1)较高的分辨力——试样中的的透明颗粒在明场下无法分辨,但是在暗场下却成为自发光的,甚至

尺寸小到0.006弘m(6nm)的颗粒都能分辨出。 (2)较高的物像反差——在显微镜的照明系统中,物镜不再作为聚光镜,使眩光减少。 (3)可以根据透明夹杂物的固有色彩进行鉴定,例如钢中的二氧化硅(Si02)在明场下呈暗黑色,但是
在暗场下则呈亮黄色。

(4)在明场下,经过化学腐蚀的试样,晶界为暗黑色,但是在暗场下则为亮白色,更有利于用比较法进 行晶粒度评级。

2明/暗场正置金相显微镜的结构特点

2.1光学系统 明/暗场正置金相显微镜一般采用无限远光学系统,其优点是显微镜中的各种光学附件可以放置在
物镜安装端面与镜简透镜之间的平行光路中,成象光束不受中间光学附件的干扰,成像质量不会受到影 响。无限远系统不会产生双像【4]。 2.2物镜与目镜
物镜采用明/暗场共用物镜,这主要是为了适应在线检测或特殊需要时可实现明/暗场快速转换。高 倍物镜采用干式物镜,这样简化了操作并使样品免于被浸油污染。目镜采用高眼点广角平场目镜。 2.3照明系统
明场照明系统采用柯勒照明方式,在照明系统中设置孔径光阑与视场光阑,光源灯丝经集光镜后成 像在孔径光阑处,形成光源像,经后续光学系统及物镜后平行照射在标本上,孔径光阑是用于控制照明系 统的通光量并排除有害光线,以调节视场衬度。可变视场光阑成像于物面,用于控制视场的大小。在明 场照明系统中,物镜即是成像元件,又是照明元件。
暗场照明是在明场照明系统的合适位置上安装环形遮光板,如图1所示。但为了有效地利用照明光 能,可将孔径光阑与视场光阑均开至最大,同时在光路中设置反射型光锥体,使照明光束经反射型光锥体 表面反射后向四周侧移,形成圆环形照明光束,而不是直接用遮光板挡住中央照明光束。从落射式暗场 显微镜照明系统原理可知,照明光束应成平行光束照射在暗场聚光镜反射面上,这样才能满足暗视场聚

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光镜的基本条件,因此光源经聚光系统后应成平行光进入反射型光锥体。当需要进行明场观察时,可将 明/暗场照明切换装置推出,使聚光透镜进入光路,同时切换环形反光镜,使半透分光镜进入光路,以形成 适合明场观察的照明系统。明/暗场正置金相显微镜的光学系统如图2所示。



Fig.2

图2明/暗场正置金相显微镜光学系统图 The optical system diagram of bright or dark field upright metallurgical microscope

3明/暗场照明切换装置与暗场聚光镜设计
3.1明/暗场照明切换装置设计 为了实现明/暗场切换观察功能,并使操作尽可能简单方便,将反射型光锥体与环形反光镜,聚光透
镜与半透分光镜作为组件,固定安装在一个滑块机构上,这样可以自由切换照明方式。明/暗场照明切换
…光N 装置结构如图3所示。

Fig.3

图3明/暗场照明切换装置结构图

diagram The structure

of bright or dark field illuminating switchover device

3.2暗场聚光镜设计

落射式暗场聚光镜常采用抛物面作为反射面,但由于对轴外光的利用率比较低,照明范围小,因而采用双曲

面作为暗场聚光镜的反射面比较理想,同时根据暗视场聚光镜的使用要求,它必须满足以下两个条件[2]:

(1)无论轴上或轴外照明的入射光均不能直接进入物镜;

(2)具有一定范围均匀照明的视场。

以曲面的顶点作为坐标原点,主截面作为z—Y平面,r为顶点曲率半径,则双曲面的主截面方程可表

示为‘5]:

扩=2rx+缸2(r<0,b>o)

(1)

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建立的双曲线如图4所不。

ta槲7一揣 L,一—r2+b(x—2-4-y2) 平行光经反射面后的像距及角度可由下式求得‘2]: 2(,.十bx)

(2) (3)

暗场聚光镜的工作距离是指出射端面至物面的距离,若用WD 表示,则工作距离可表示为:

:心幽y)
一摊 二 \\、《p此)

》/ C 气





_醪



’/

-L’





。吒f

/’





WD一垡{墨一z。≈L;一z:

(4)

图4双曲线

为了满足物镜工作距离的要求,则|rI<y。,由式(4)可得到:

Fig.4 The hyperbotold

一:=·-—··————·———--—----—————·——一 WD≈L:一z2一 Y2 tanU;

(r+如2)2一Y2 ≈委一娑

2(r+缸2)



2r

(5)

从式(5)可知,可以根据物镜的工作距离WD与双曲面上的Y。值来设定,.初始值。由于明/暗场共

用物镜一般不设计成可伸缩的弹簧物镜,因此暗场聚光镜的工作距离一般要小于明场物镜的工作距离。

将式(2)代人式(4)可知,r值将决定工作距离WD的值,在优化设计过程中可将r作为变量进行优化,以

得到较为理想的明/暗场共用物镜的工作距离。

暗场聚光镜的照明范围可用下式表示:

2a一1--2--。L1(tanU:+tanU;)

(6)

将式(2)与式(3)代入式(6)可知,照明范围受到b值的影响,取值时可以根据照明视场一定要大于物 方视场的原则,可以表达为下式:

2n≥彳FN

(7)

式(7)中,FN为目镜视场数,口表示物镜的放大率。

坐标(z,,Y。)与(z。,Y。)是暗场聚光镜反射面的两个极限位置,需根据物镜的结构与外形尺寸确定。

以40×明/暗场共用物镜为例,设计过程如下:

40×物镜主要技术参数如表1。 根据暗场聚光镜的设计方法与40×物 镜的结构特点,设置Y。一11.75,Yz一8.0,以

Tab.1

表1 40X物镜主要技术参数 The main technology parameter of 40 X objective

r与b为变量,取不同的值进行计算,可以得

到暗场聚光镜的相关计算结果如表2。

从表2的计算结果分析,为了使暗场聚 光镜的工作距离与照明范围符合使用要求, 可选择r一一5,b=0.03时的双曲线作为暗视

表2暗场聚光镜计算结果 乃磊2 The calculation results of dark field condenser

场聚光镜的反射面主截面曲线,这时照明范 围为2a=O.818mm,WD一3.33mm,符合暗 场聚光镜的使用条件(1)与(2)。根据式(1) 可得到如下曲线方程:

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金属材料(如铜材)制造暗场聚光镜。在这里可用Pro/D晒州脚i参数

化设计软件中关于基准曲线的高级创建方法,从方程创建基准曲

线[6|,建立适合于CNC加工的空间曲线。运用Pro/ENGINEER 创建的40X明/暗场物镜暗场聚光镜反射面主截面曲线如图5

所示。

4.2曲面加工

对于以中心轴对称的旋转曲面,可以进行车削加工。因此可利

用Pro/ENGINEER的CNC加工模块进行曲线车削加工,也可利 用其它数控加工软件进行自动编程加工。为了提高暗场聚光镜的 照明亮度,可以将反射面镀反射膜或镜面抛光与镀铬处理。
5结论
通过对明/暗场正置金显微镜照明系统的结构分析与系统设

图5 40明/暗场物镜暗场聚光镜 反射面主截面曲线
Fig.5 The dark field condoner reflected surface main section of curve 40× bright or dark field objective

计,文中给出的明/暗场照明切换装置的设计方案及暗场聚光镜的设计与加工方法是可行,采用双曲面作

为落射式暗场聚光镜的反射面能有效提高轴外照明光束的利用率,按照此方法,已设计出明/暗场正置金 相显微镜照明系统,可适配5×"一IOOX明/暗场两用物镜,经实际应用,明/暗视场照明均匀,衬度良好。

参考文献:

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