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超长工作距离物镜及其在测量和加工中的应用1.前言光学显微镜作为扩大样本图像观察的装置从16世纪中叶就开始广为使用，是一种相当可靠的传统装置。作为一种有着漫长发展历史的光学设备，其基本原理已经较为成熟，因此没有大幅度变化。然而，为能够不断满足日益增长的用户需求，光学显微镜在功能和性能上一直不断提高。近年来，以显微镜为基础的非接触3D视像测量仪、显微分光装置、干涉仪或带有显微镜/激光的精细加工机器相继问世。这些产品在传统显微镜所具有的基本功能上，增加了许多新功能。此外，人们现在已经可以观察到红外线和紫外线的波长范围，远远超过了可见光范围。但物镜显微镜的工作距离较短始终是这类设备应用的重要限制因素之一。本文将介绍的是三丰“FS物镜显微镜系列”，其突出特点是工作距离长，可观察波长范围增大到近红外线至紫外线范围，从而使显微镜的应用范围也大大提高，并且更易于操作。2.开发背景与目标近年来，半导体集成产业以令人瞩目的速度向前发展，随之而来的是从微米级到亚微米级的更高精度检验需求。与此同时，各行业也正致力于开发出用于显微镜的新型、高性能物镜，它们应该比传统物镜可操作性更强、分辨率更高、工作距离更长。同时，市场已提出对具有大数值孔径和长工作距离产品的迫切需求。面对这种挑战，三丰重新审度了原有物镜的45mm等焦面距离标准，扩大了镜头的观察范围，将等焦面距离提高到95mm。经过不懈努力，三丰开发出具有高倍率、大数值孔径（高分辨率）和长工作距离的新型高性能物镜显微镜。（见图1）3.FS物镜显微镜特点FS显微镜采用无限远校正光学系统，通过使用一个物镜和一个成像透镜（光学管镜头）生成图像。色差校正可由物镜和成像透镜独立完成。因此FS物镜系列产品自身就是一个完整的光学系统。因此，该系列产品不仅可以单独使用，而且还可以作为扩展系统的一部分，在扩展系统中，用户可以根据个人喜好对成像透镜进行设置，将物镜组装到自己现有的设备上。三丰可提供多种类型的成像透镜和装有这种光学系统的组合型视像显微镜VMU系列、高倍率显微镜FS70系列和VM-ZOOM系列、检测用显微镜FS110T和高倍率测量显微镜MF系列。? 图1、不同等焦面距离物镜的比较?以上两种系统均使用了一个超长工作距离物镜，实现了传统显微镜无法实现的功能，因此可以说这是一种具有特殊可操作性的非比寻常的显微镜。通常，加大物镜的工作距离，会导致多种色差问题发生。而MPlanApo系列的复消色透镜通过选用低折射率反常色散玻璃和超低色散玻璃，实现了大范围可见光的色差校正。这两种玻璃的波长折射率不同于普通光学玻璃。特别是由于能够进行横向色差和散射光的校正，MPlanApo系列产品可以呈现更加清晰的图像。4.FS物镜显微镜规格FS物镜显微镜有以下系列产品可供选择。全部产品均具有超长工作距离。Ο? M Plan Apo系列? Ο? M PlanNIR系列? ? BDPlan Apo系列? ? LCDPlan NIR系列? Ο? M PlanNUV系列? Ο? M PlanUV系列? ? LCDPlan NUV系列? ? ? Ο? G PlanApo系列? ? ?以上系列产品的特点和规格如下。4-1. M Plan Apo系列 和BDPlanApo系列M Plan Apo系列是在可见光范围内使用的显微镜用物镜，适于进行亮视场观察，而BDPlanApo系列则适于进行亮/暗视场观察。此外，还有具有超长工作距离的M Plan Apo SL和BD PlanApoSL系列。4-2. M Plan NIR系列 和LEDPlanNIR系列该系列可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正，同时提高了近红外线范围内的透射率，是一款增强型超长工作距离物镜。LCDPlanNIR系列还特别考虑到液晶玻璃罩（厚度为t=1.1mm或t=0.7mm）的存在，而对其设计进行了改进。4-3. M Plan NUV系列 和LCDPlanNUV系列MPlanNUV系列采用在短波长范围内具有较高透射率的光学玻璃，可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层，这种涂层有助于保持短波长范围内的高透射率。同时与NIR系列产品一样，本系列也具有考虑到液晶厚度的（t=0.7mm）专用物镜。4-4. M Plan UV系列该系列是FS物镜显微镜系列的必威体育精装版产品，从去年开始，已经有80X、50X和20X等型号上市。为确保在紫外线范围内能够具有高透射率，三丰已将普通光学玻璃透镜更换为萤石和石英材质的透镜。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层。4-5. G Plan Apo系列使用物镜观察工件表面时，因为是透过一层很厚的玻璃进行观察的，视像的对比度会由于玻璃产生的大量球面色差而明显下降，当使用高倍率或高NA物镜时，这种影响显得尤为严重。GP