一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜

摘要

本发明公开了一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜装置，包括显微物镜、第一套筒组件和第二套筒组件，第一套筒组件一端通过螺纹固定在显微物镜上，另一端与第二套筒组件连接，通过止螺固定，第一套筒组件与第二套筒组件连接面带有螺纹，第一套筒组件包括第一套筒、第一压圈、参考镜，第一套筒通过螺纹固定在显微物镜上，另一端带有三阶台阶，第一压圈通过螺纹将参考镜固定在第一套筒上，第二套筒组件包括第二套筒、第二压圈、分光镜，第二套筒底部带有两阶台阶，靠近待测件的台阶半径最小，第二压圈通过螺纹将分光镜固定在第二套筒上。本装置结构简单，体积小，加工容易，适用性高，应用在白光干涉显微镜中，可产生白光干涉条纹，为表面微观三维轮廓的高精度测量提供必要手段。

说明书

技术领域

本发明属于干涉测量领域，具体涉及一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜，通过增加方便拆卸的参考镜和分光镜，将普通显微物镜改造成的干涉显微物镜。

背景技术

干涉显微镜主要有Michelson、Mirau和Linnik三种类型。Mirau干涉显微镜根据显微物镜的工作距离来设计参考镜和分光镜之间的距离，使由参考镜和待测件反射的光束的光程差为零，光束发生干涉后得到干涉图像，从而可以分析待测件的特性。它只使用了一个显微物镜，物镜对参考光束和测量光束的影响相同，不会引入附加的光程误差，另外参考镜和待测件相对于分光镜的距离相等，不需要补偿板即可实现干涉。

Mirau（米洛）型干涉显微镜是目前结构最简单、使用最多的一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜类型，Mirau型干涉显微检测技术在材料研究、生物医学、数据存储盘以及精密加工表面检测等领域已得到广泛应用。陶纯堪的专利《Mirau型物镜及使用该物镜的干涉显微镜和测量系统》，专利号201220363110，系统中使用的Mirau型干涉显微镜是将干涉系统和显微系统分置的，这样必将增加仪器的体积和装调复杂程度。张红霞等人提出的一种Mirau干涉物镜的优化设计利用支撑板的下表面反射光束，这样会导致光程变长，显微物镜的工作距不能得到充分利用。Sagamihara-shi等人的专利，专利号US 2012/0099115 A1，其中提出了一种Mirau型干涉显微物镜是将参考镜和分光镜固定在一个套筒中，然后将套筒与显微物镜组合，该方法虽然使干涉显微物镜的结构简易化，但是无法调节参考镜和分光镜之间距离，仍然限制了装置的适用范围，而且两镜之间的距离精度只能由加工精度决定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜，本装置可便捷地将普通显微物镜改造成干涉显微物镜，可方便安装卸载参考镜和分光镜，并且能够微调参考镜和分光镜之间距离使其能够适用于不同工作距离的显微物镜。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种通过对长工作距显微物镜改装的干涉显微物镜装置，包括显微物镜、第一套筒组件和第二套筒组件，第一套筒组件一端通过螺纹固定在显微物镜上，另一端与第二套筒组件连接，通过止螺固定第二套筒组件，第一套筒组件与第二套筒组件连接面带有螺纹，用于调节参考镜和分光镜之间的距离，第一套筒组件包括第一套筒、第一压圈、参考镜，第一套筒通过螺纹固定在显微物镜上，另一端带有三阶台阶，靠近显微物镜镜头的台阶半径最小，为第一台阶，其后分别为第二台阶和第三台阶，第一压圈通过螺纹将参考镜固定在第一套筒的第一台阶下表面，第二套筒组件包括第二套筒、第二压圈、分光镜，第二套筒底部带有两阶台阶，靠近待测件的台阶半径最小，为第四台阶，其后为第五台阶，第二压圈通过螺纹将分光镜固定在第二套筒的第四台阶上表面。

第一套筒中的第一台阶上表面到显微物镜镜头前端的垂直距离d₀不大于1mm，显微物镜孔径角为θ，工作距为d，第一台阶的半径r₁需满足r₁>(d-d₀)?tanθ/2，第一台阶宽度c₁不大于1mm，第一台阶厚度d₁不大于1mm，参考镜的半径r₂需满足r₁﹤r₂≤r₁+c₁，参考镜[4]的厚度h₃要求大于第二台阶厚度d₂且不大于2mm，第一压圈的垂直厚度h₁不大于3mm，第三台阶的厚度d₃≥h₁+ h₃-d₂，内圈半径r₃需满足公式r₃>(d-d₀-d₁-h₃)?tanθ/2，第三台阶到第一套筒底部的距离d₇> d₆，且需满足d₀+ d₁+ d₂+d₃+ d₇< d，所有孔径的设计需保证正常使用时元件不会影响光线传播； 

第二套筒通过螺纹旋入第一套筒内，根据参考镜与显微物镜前端的距离d₀，保证第二套筒组件能将分光镜上表面调节到距参考镜上表面(d-d₀)/2的位置，使参考镜上表面到分光镜上表面和分光镜上表面到待测件表面的距离相等，第二压圈的垂直厚度h₂不大于3mm，第二套筒的长度d₆≥d₄+h₂+h₄，内圈半径r₄需满足r₄>[(d-d₀)/2+ h₂]?tanθ/2，分光镜的半径r₅ 满足r₄< r₅≤r₄+c₂，分光镜的厚度h₄要求大于第二套筒[6]的第五台阶厚度d₅且不大于2mm，第二套筒中第四台阶的半径r₆需满足[(d-d₀)/2]?tanθ/2<r₆< r₅，第四台阶宽度c₂不大于1mm，第四台阶厚度d₄不大于1mm，所有孔径的设计需保证正常使用时元件不会影响光线传播；

第一套筒两侧设计两个止螺孔，止螺孔不大于M4，旋转第二套筒将分光镜调节到等光程位置时，通过止螺固定第二套筒组件在第一套筒中的位置，第一压圈和第二压圈表面和第二套筒底部都设计了两个小孔，方便旋转固定；

参考镜上表面半径为r₅的同心圆区域内镀全反射膜，区域半径r₅满足1/7≤r₅/ r₂≤1/5，反射率大于99%，工作波长为380-780nm，圆形区域与上表面的同心度要小于±0.2nm，参考镜上表面其他区域及下表面镀增透膜，透过率大于99%，工作波长为380-780nm，上下表面的表面粗糙度Ra优于1nm； 

分光镜上表面镀膜，反射率与透过率之比为70%：30%，工作波长为380-780nm，分光镜下表面镀增透膜，透过率大于99%，工作波长为380-780nm，上下表面的表面粗糙度Ra优于1nm。

显微物镜采用长工作距显微物镜。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明可快速将普通显微物镜改造成检测精密元件表面形貌的干涉显微物镜；不需要补偿镜可实现零光程差的两束光束干涉；参考镜和分光镜相对独立装配，且各自都可拆卸重复使用；装置体积小，加工方便，且能满足高精度的使用要求，分光镜和参考镜之间距离可调，可用于不同工作距离的显微物镜改装。 

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明套筒组结构放大图。

具体实施方式  

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，安装时，先将参考镜4从第一套筒2底部旋入，带有镀全反射膜的圆形区域的一面为上表面，再用第一压圈3将参考镜4固定，再将分光镜8放入第二套筒6，用第二压圈7固定，再将第二套筒组件5旋转入第一套筒2，调整第二套筒组件5的位置，调整到等光程差位置时用止螺9将第二套筒组件5固定。

第一套筒2中的第一台阶上表面到显微物镜11镜头前端的垂直距离d₀=0.6mm，显微物镜11孔径角θ=48.5°，工作距为d=11.1mm，第一台阶半径r₁根据r₁>(d-d₀)?tanθ/2设计为5.5mm，第一台阶宽度c₁=0.5mm，第一台阶厚度d₁=0.4mm，参考镜4的半径r₂=6mm，参考镜4的厚度h₃=0.5mm，大于第二台阶的厚度d₂=0.3mm，第一压圈3的垂直厚度h₁=2mm，第三台阶的厚度d₃=2.2mm，内圈半径r₃=5.7mm，第三台阶到第一套筒2底部的距离d₇=5.8mm，第二压圈7的垂直厚度h₂=2mm，第二套筒6的长度d₆=3mm，内圈半径r₄=3.5mm，满足r₄>[(d-d₀)/2+ h₂]?tanθ/2，分光镜8的半径r₅ =3.7mm，满足r₅> r₄，分光镜8的厚度h₄=0.5mm，大于第二套筒[6]的第五台阶厚度d₅=0.3mm，第二套筒6中第四台阶的半径r₆=3.3mm，满足[(d-d₀)/2]?tanθ/2<r₆< r₅，第四台阶宽度c₂=0.4mm，第四台阶厚度d₄=0.4mm，第一套筒2两侧设计两个M2的止螺孔，区域半径r₅=1mm，满足1/7<r₅/ r₂<1/5，反射率大于99.9%，工作波长为380-780nm，圆形区域与上表面的同心度要小于±0.2nm，参考镜4上表面其他区域及下表面镀增透膜，透过率大于99.5%，工作波长为380-780nm；分光镜8上表面镀膜，反射率与透过率之比为70%：30%，工作波长为380-780nm，分光镜8下表面镀增透膜，透过率大于99.9%，工作波长为380-780nm，上下表面的表面粗糙度Ra优于0.5nm。