（测试计量技术及仪器专业论文）自动倒装贴片机对准方法研究与光路设计.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 中文摘要 全自动倒装贴片机( f 1 i pc h i pb o n d e r ) 是半导体生产工艺中完成芯片和基 底对准、键合的高精度自动化设备，适合于特征尺寸小，键台精度要求高的i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 、m e m s ( m i c r oe 1 e c t r o m e c h a n ic a ls y s t e m ) 、m o e m s ( m i c r o o p t i c a e 1 e c t r om e c h a n i c a s y s t e m s ) 等的大规模生产。 自动对准系统是自动贴片机中的关键组件之一，现阶段最先进的对准方法是 利用机器视觉和图像处理技术来识别和测量微细标记特征，然后反馈给控制系统 引导机械装置进行对准定位，在对准之前还必须对芯片进行“调平”以及实现“对 焦”获得清晰的标记图像。 本文针对倒装贴片机的自动对准系统开展了以下几方面的工作： 首先在讨论了现有的对准方法和自动贴片机的对准光路系统基础上，针对贴 片机实际应用环境，提出基于多点自动对焦的芯片调平方法。采用图像清晰度评 价和自动焦点搜索实现自动对焦，有效地将调平、对焦、对准光路统一起来。 对基于视觉反馈的对准光路现状及发展趋势进行深入调奄，提出并比较了两 套基于视觉反馈的对准光路结构方案，该方案不仅有利于获取高分辨率高像质的 图像，而且能够简化结构、节约空间以及提高工业现场应用的稳定性。 对本文所提出的光路结构方案中的成像镜组在光学自动设计软件z e m a x 中 进行了仿真和优化，成像镜组与所采用的高分辨率c c d 相机和不同频率范围的l e d 光源获得了很好的匹配，并在不同频带和视场获得了很好的像差平衡。本文在设 计的结构方案的基础上，通过部分的合理替代搭建了模拟实验光路，并配合不同 的照明光源来获取图像，结合获取的图像效果与图像处理需要的考虑，进一步说 明了光路的可行性，并对不同光源的图像效果进行了分析，从而可以有效的指导 下一步的图像处理。 关键字：倒装贴片机，机器视觉，对准方法，对准光路，z e m a x 软件 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a na u t o m a t i cf l i pc h i pb o n d e ri sap r e c i s i o ni n s m u n e n tu s e dt oa l i g na n db o n done o rm o r ed i e so n t oas u b s t r a t ei ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y i td e v e l o p sf o r t h em a s s p r o d u c t i o no fi c ，m e m sa n dm o e m sw i t hs m a l lf e a t u r es i z e sa n dh i 曲p r e c i s e b o n d i n gd e m a n d s a na l i g n m e n ts y s t e mi soneo ft h ek e yc o m p o n e n t si nf l i pc h i pb o n d e r s t o d a nt h e m o s ta d v a n c e da l i g n m e n tm e t h o d sh a v eu s e dt h et e c h n o l o g yo fm a c h i n ev i s i o na n d i m a g ep r o c e e d i n g ，b yw h i c ht h ef e a t u r em a r k so nd i e so rs u b s t r a t ea r er e c o g n i z e do r m e a s u r e d ，b yw h i c hm a c h i n em o v e m e n te q u i p m e n t sa r el e a d e dt oc o m p l e t ea l i g n m e n t d i el e v e l i n ga n da u t o f o c u su s u a l l yb ec o m p l e t e db e f o r ev i s i o n b a s e da l i g n m e n to fd i e a n ds u b s t r a t e i nt h i st h e s i s ，t h ew o r ko na u t o m a t i ca l i g n m e n ts y s t e mi sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , a f t e rt h em e t h o d sa n do p t i c a ls y s t e m sf o ra l i g n m e n tw h o s ea r eu s e d c o m m o n l yn o wa r ed i s c u s s e d ，an f z wd i el e v e l i n gm e t h o db a s e do na u t o f o c u si s p r e s e n t e df o rt h ef l i pc h i pb o n d e r , a u t o f o c u si sc o m p l e t e db ye s t i m a t i n gf r o mi m a g e s ； d i el e v e l i n gi sc o m p l e t e db yf o c u s i n gf o rs e v e r a lf e a t u r el o c a t i o n s a sa r e s u l t j u s ta s e t o fi m a g i n go p t i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c hu s e dt om e r e l yc o m p l e t ea l i g n m e n t ，n o v rc a nb e u s e df o rt h et h r e ep r o c e d u r e s - - d i el e v e l i n g ，a u t o f o c u s ，a l i g n m e n t s e c o n d l y , t w ov i s i o n - b a s e do p t i c a ls y s t e m sf o ra l i g n m e n ta r ep u tf o r w a r d n o t o n l yc a nh i g h r e s o l u t i o na n dh i g h q u a l i t yi m a g e sb eg o u e n ，b u ta l s os t r a i g h t f o r w a r d h a r d w a r es e t u pa n dg o o ds e c u l a rs t a b i l i t yi nt h es h o pc a l lb eo b t a i n e d ， l a s tb u tn o tl e a s t ，t h es p e c i f i cm i c r o s c o p eo b j e c t i v ei na na l i g n m e n to p t i c a ls y s t e m i se m u l a t e da n do p t i m i z e di nz e m a xs o f t w a r e d u r i n gt h ep r o c e d u r e so fd e s i g n ， o b j e c t i v e i so p t i m i z e da ta c t u a l p a r a m e t e r s o fs e l e c t i v ec c d c a m e r aa n dl e d i l l u m i n a t i o nl i g h ta n dag o o da b e r r a t i o nb a l a n c ei sa l s oo b t a i n e d f o ra n o t h e rs y s t e m ，a n _ e x p e r i m e n tf o ra l i g n m e n ti sc a r r i e do u td u et ot h eo f f - t h e - s h e l fc o m p o n e n t s ，f r o mw h i c h a g r o u po f i m a g e sw h i c hc a nb eu s e df o ra l i g n m e n ta r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：f l i pc h i pb o n d e r ；m a c h i n ev i s i o n ；a l i g t m a e n tm e t h o d ；o p t i c a ls y s t e mf o r a l i g l u n e n t ；z e m a xs o f t w a r e 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 本课题得到了武汉市科技攻关计划项目( 编号：2 0 0 4 1 0 0 1 0 1 2 ) 高精度贴 片机自动对准系统的开发研究和湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队资助计划 项目基于实时机器视觉信息的微细定位与控制技术研究的资助。 高精度全自动倒装贴片机是完成芯片加工流程中芯片粘接的自动化设备，是 集光、机、电等与一体的高科技复杂产品，在i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 、m e m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 、m o e m s ( m i c t oo p t i c a le 1 e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 等精度要求高、工艺复杂的场合有着广泛的应用，自动贴片机也f 在逐步取代手 动贴片而日益成为主流的组装方法。到目前为止，关键技术仍只被国外的几个大 公司所掌握。贴片属于半导体加工的后段工序，我国要想打破半导体加工的瓶颈， 加大相关核心领域的研究和开发具有十分重要的意义。 自动对准系统不仅是高精度自动贴片机中的核，d 技术之所在，同时也是一种 共性技术，在半导体行业的前段生产工序、后段测试工序、后段封装工序之外的 精密机床、微机器人、微生物监测等许多场合都有着广泛的应用，因此本研究具 有很强的通用性。 1 。2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 对准系统 自动倒装贴片机是通过自动移动的贴装头把表面贴装元器件准确地放置到指 定位置的一种设备。其定位方式有机械定位、视觉定位、激光定位等几种方式。 视觉定位由予采用了高放大倍数成像系统及图像处理技术，使得定位精度可以大 大提高，因而在高精度自动贴片机中成为重要的对准系统。基于视觉定位的自动 贴片机的基本结构如图卜l 所示，其工作流程为：( 1 ) 贴装头在视觉系统的帮助下 抓取芯片；( 2 ) 由视觉系统寻找定位标志并计算与目标位置的偏差；( 3 ) 根据视觉 系统计算的结果，移动工作台使基底到达目标位置，然后贴装头作垂直运动使芯 片和基底接触：( 4 ) 工艺处理，贴片；( 5 ) 放下贴好的芯片进入下一流程。基于视 觉的自动贴片不仅贴片精度高，而且贴片效率远高于手动贴片。对于高精度的自 动视觉贴片机，其核心的关键技术包括三个主要部分，一是自动对准系统，二是 湖北工业大学硕士学位论文 快速加热炉，三是高精度运动系统。这三个关键部件直接决定了贴片机的贴片精 度和贴片效率。 自动对准系统作为自动倒装贴片机的核心组成部分，用以完成芯片到基底加 采集 热键合前的定位。自动对准系统并不是单单完成“对准”这一个动作，因为“对 准”既包括水平方向上的对准，也包括竖直方向上的对准( 即对焦) 。同时，倒装 贴片过程中，为了保证芯片键合时各点的压力一致，必须对芯片进行调平使其水 平放下。除此之外，如果基底材料为透明或半透明，为了使系统变为闭环来提高 系统的重复性往往还会加入视觉反馈系统，所以“自动对准”不是一个单一步骤， 而通常是调平，对焦，对准，视觉反馈系列连贯的动作。图l 一2 解释了贴片机 各部分具有的空间自由度，从图卜2 中更容易看清楚贴片机的工作流程，对准需 要这些部分相互配合才能完成，其中的插入光学系统就是本文的研究重点。 早期对准是通过手工完成的，操作者通过显微镜观察芯片与基底的之间的位 置关系，接着用手操作工作台对裸芯或基底作一些需要的位置调整，调整好之后 将芯片压下进行键合。手动对准相比自动对准最大的缺陷就是低速度造成的生产 效率低下，但是由于手动设备花费低，加之人比机器更加适于多变数的环境和工 作对象，因而现阶段手动对准在小规模加工或检测中还经常用到。 湖北工业大学硕士学位论文 _ - - _ l _ _ _ l - l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - - 一 图卜2 对准系统及各部分运动自由度 现在微器件的应用越来越广泛，集成度越来越高，那种低生产率的手工贴片 已完全不能适应大规模生产的需要，自动对准技术从微细加工、检测行业出现以 来就受到了极大关注。 一般情况下在贴片机的拾取头在圆晶片上拾取单个的裸芯片前，会对整个圆 晶片进行预对准。在晶片上预先加工好用于定位的槽口，然后靠机械夹具和一些 辅助传感装置来完成定位，这样就减少了下一步的自动对准过程的搜索范围，从 而加快了对准所需要的时间“3 “。 在预对准之后就需要进行精确的自动对准，早期主要使用主动对准技术，其 工作原理是让要对准的两个物体充分接近，使其能在同一个视场中成像。这种对 准系统的主要优点是能较好地预测最后的组装精度。如在光电器件的组装中，一 般分两步把激光二极管和单模光纤对准。首先，激光二极管被键合到基底上，随 后将得到的器件用引线键合工艺与引线框连接起来。激光二极管和基底键合所要 求的精度约为l o 一2 0 姗。然后，给器件通电，并手工将激光二极管和光纤对准。 此过程般需要8 9 分钟。随后，光纤被固定在基底上。虽然主动对准的精度可 以达到l o o n m ，但是其耗费的漫长时间极大地增加了器件的成本”1 。 而被动对准中，并不直接把两个器件对准，而是采用了间接的方法，把器件 分别和基底对准。如在光电器件的组装中，光纤被放置在基底的v 形槽中，从而 固定其在基底上的位置。激光二极管与v 形槽对准后，被放置并键合到基底上。 湖北工业大学硕士学位论文 同期，自动对准技术也被应用到倒装片工艺中。首先，芯片被放置在基底上， 精度约为5 帅。接着被放入回流炉；焊剂融化后，其表面张力可将芯片自动对准。 虽然此工艺在有数百个锡球时是成功的，但是许多器件中的锡球数目很小 5 0 d b o 3l u x 1 i 6 1 2 0 0 0 0 0s e c 1 2 、。g e c 镜头机械接口 c m o u n t 一? 。、 | ” 0 气“i ； w a v el e n g t h ( r i m ) 图3 3j a ic v - a 1 的光谱响应图 3 5 光路中显微成像物镜的规划 无论是前面提出的光路结构方案一还是方案二，除去对棱镜合并光路部分的 考虑，剩下的部分就是百万像素级的c c d 接收视频显微镜设计。 现在的视频显微镜可以是在普通目视显微镜的目镜端附加会聚光线镜组，二 次成像于传感器芯片上；也可以通过棱镜分光，一部分光可以通过目镜让肉眼接 收，一部分光直接成像于传感器芯片之上，一般是一次成像。由于本设计的光路 不需要目视，所以整个设计过程类似单简直列式的定倍率视频显微镜设计，又因 为两方案都是一次成像于接收襄之上，整个设计又可以简化为显微物镜的设计， 下面就从显微物镜的设计中来介绍仿真需确定的结构方案和校正的像差“”1 。 普通显微物镜的特点是焦距( 工作距离) 短，视场小，相对孔径较大。对于 。譬口盘霉-譬；t1口群 湖北工业大学硕士学位论文 - _ _ _ - _ _ _ l _ _ - l _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一i _ _ _ _ - - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 这种结构主要需要校正球差、正弦差和轴向色差。由于孔径角( 相对孔径) 大， 其高级像差很大，校正好高级像差是中高倍物镜像差校正的关键。边缘像质降低 些时允许的，轴外像差的校正要放在次要的位置上。但用于图像接收器( 胶片 或传感器) 的显微物镜，要想整个视场比较清晰就需要校正场曲、像散和垂轴色 差。校正场曲也就是要获得平像场，普通的消色差物镜只能获得中间6 5 的面积 的平场范围，而半平场物镜需要有8 0 ，平场物镜需要达到9 5 以上，普通物镜 场曲大主要是因为正透镜多而焦距短，校正场曲的主要方法是在靠近物面和像面 的地方加入负光焦度，可以产生负的p e t z v a ( s i ，) 而对偏角的影响不大，或者加 入若干厚的弯月形透镜。 大数值孔径的高分辨率显微物镜不允许有太大的二级光谱和色球差，它需要 对三条谱线校正轴向色差，也就是复消色差，消二级光谱和色球差要保证玻璃对 有足够的n 值( 折射率) 和v 值( 色散) 差，又需要相同的p 。值( 相对色散) ， 这样的玻璃对在玻璃图上几乎很难找到，以前多是用低折射率低色散的莹石( c af ：) 和一般的重冕玻璃( zk ) 成对校正，但低折射率弯曲光线的能力就弱， 要保证其它像差时就得增加镜片的数量，往往结构很复杂。莹石的工艺性和化学 稳定性不好，它还因为是晶体存在着内应力，现在大部分此类设计开始改用低折 射率低色散的氟冕玻璃( fk ) 做正透镜，用特种火石( tf ) 做负透镜来校正 二级光谱，它们的结构比采用莹石还要复杂。本设计所拟定的0 2 5 n a 属于中等数 值孔径，而且是在三个窄波段校正色差。二级光谱的影响相对小很多，在优化设 计时可以采用将三个波段范围作为多重结构，把最后的物距和像距在一个小范围 内作为变量补偿，这样可以减小复消色差的难度。 用于计量或是留有增加附件空间的显微物镜需要有比较长的工作距离，要想 ， # r 7 f 啊n 一 ， 图3 4 物镜长工作距离的原理 湖北工业大学硕士学位论文 获得长的工作距离，在结构上必须有一个间隔较远的正、负光组，正组靠近物方， 它的高斯光学原理如图3 - 4 所示，由于物方主面移出了物镜之外，所以镜组物方 焦距f 较短而工作距离w d 较长，这样就有利于在物方数值孔径较大的情况下 获得比较大的工作空间。 以上谈到的消场曲，消二级光谱和保证长工作距离是本光路设计在普通显微 物镜的基础上所着重需要考虑的问题。除此之外，本文中所设计的c c d 接受的显 微物镜在设计时划分视场的权重和一般的可以用于摄像的显微镜的物镜又有所不 同：一般的显微镜设计都是目视和摄像两用的，它的视场的选定和对焦往往都是 用肉眼来完成的，肉眼感兴趣的区域总是视场的中心，因而虽然是按平场物镜设 计，但在像质上为了更好的校正轴上和近轴区域，往往会牺牲c c d 接收器四角的 成像区域的像质；本设计用于对准的光路，由于需要在全视场中去搜寻标记，也 就是说整个像面的像质要尽可能一致，不然会对图像处理带来很多不确定因素， 因而需要划分视场的权重尽力致，整个视场的像差相对平衡e 2 6 , 4 7 , 4 8 , 4 9 , 5 0 。 在第一种方案设计中，由于物镜前有大厚度的棱镜，很难保证工作距离，在 优化的时候几乎不可能保证l o 。的放大倍率和0 2 5 的数值孔径，但为了不太降低 分辨率，优化时应该逐步操作倍率和数值孔径，让它们逐步增加到一个很难再改 变的量，由于这种结构有着它的应用优势，即使数值孔径接近o 2 时，通过上一 章讲述的计算方法计算和加上图象处理算法的考虑，同样可以满足课题的需要。 为了方便像差校正，设定的物像共轭距离大于普通的显微镜的共轭距离( 2 5 0 m i t l ) ，优化时可以设定3 0 0 mm ，由于不是需要严格控制的量可以给相对最低的权 重。在第二种设计方案中，主要是无限远简长的长工作距离平场物镜的设计，由 于物镜端通常单独设计，如果平板玻璃较厚，可以放在辅助物镜一端设计，它的 数值孔径和放大倍率都容易保证，这套结构方案的优势之一就是容易从目前的商 业目录中获得零部件，组装的成本比单独设计加工要低得多，因此没有对其进行 优化设计。 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章基于视觉反馈的成像光路仿真 在第3 章已经确定了一些基本的参数，在这一章将结构方案一中成像显微物 镜的参数具体化，然后通过z e 姒x 2 0 0 3 软件进行了优化，并说明了优化这种结构 所需要注意的一些细节和最终的优化结果。方案二的结构设计主要的优势就是可 以在商业目录中找到相应的产品，因此并没有对其进行优化设计。 4 1 光学仿真设计流程 ( ! 兰 ) 章 图4 - 1光学仿真设计主要流程图 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一i _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 任何光学设计总要遵循一定的流程。通过光学自动设计手段在软件中的仿真的 步骤就是将第二章所介绍的光学设计的四个阶段基础之上进一步细化，图4 一l 所示 的流程图可以表述全部的过程。首先整个设备的光学性能需求应该尽可能的清楚和 全面，即使光学规格参数不能被唯一确定下来，也需要对允许的范围进行严格的估 计：设计者响应首要任务就是搞清满足需求的可行性，无论是照明还是图像质量必 须在物理意义上可行，然后就需要了解可以满足要求的结构以及各种结构的优缺 点；接下来的布局要确立最有希望完成规格和参数要求的初始结构，同时也要一定 程度上考虑它的经济性：起始点的确定通常可以从一个类似功能的先例、专利开始， 对于不太复杂的系统也可以通过一阶特性的计算去确立起始点：确立了起始点后接 着就需要选择变量，对只存在球面的镜组，能作为变量的只有曲率、玻璃厚度，空 气间隔和材料，如何定义变量还需要考虑可加工性和材料性能；设置优化函数是整 个设计中至关重要的一步，在2 1 节有了较详细的介绍，设置优化函数时需要控制 的变量或是规格参数约束在边界范围之内：优化与前面的两步以及接着的像质分 析，总是一个往复很多遮的过程，需要不断地调整，直到在保证参数的情况下图像 质量可以满足：一个设计在没有进行公差分配之前就不能说设计完成了，保证优化 过程中的像质外还要保证在存在残余设计误差和加工、装配、材料、环境等误差时 像质的降低要在可以接受的范围之内。 4 2 仿真及结果 由于对准光路中的两路是按对称分布，而且成像特性一致，所以在仿真时只 需要对对其中的路进行优化设计，同时因为棱镜的成像特性与展开后同等厚度 的平面玻璃一致，而且所用棱镜的玻璃材料全部相同，因此在优化过程中把棱镜 等效成一块厚玻璃，也不用去折叠光路。如果忽略这块厚玻璃( 棱镜) ，剩余的结 构就相当于c c d 接收成像的显微物镜。 。 在第3 章提出方案时，在红外截止滤波片的前面的加有补偿物镜，它很靠近 c c d ( 成像面) ，它的作用相当于场镜，有利于场曲的校正，但工业现场用的镜组 需要经常的拆装更换或校正，它上面有污点对最终的像质有很大的影响，同时也 因为靠近滤光片或机械快门容易形成物理于涉，所以不加镜前的补偿组，将所有 的校差校正集中在物镜端。 对于成像镜组的优化设计，第一步就应该确立基本目标光学规格按采用的 湖北工业大学硕士学位论文 l 2 ”c c d 芯片的大小确立视场范围像方最大视场为4 2 m m ，应用的波长范围为蓝 ( 4 5 0 nm 4 6 5 1 3r r l 4 8 0nm ) 、绿( 4 9 0 1 2m 5 1 5ni t i 5 5 0nm ) 、红( 6 3 5n m 6 6 0nm 6 8 0r lm ) 三种“单色”光，上一章只是大致确立了物方数值孔径 在0 2 5 左右。方案一中在透镜前加入了厚玻璃( 棱镜等效厚度) ，在保证一定的 工作距离的情况下能否具有0 2 5 的数值孔径变成了一个未知数，因此确定数值孔 径还需要进行如下的计算。 采用同种材料的棱镜，从展开后的厚度来看，厚玻璃的厚度应该是高度的3 倍，用图4 2 表示棱镜展开形成的厚玻璃。0 是物方半孔径角，因为物镜与棱镜问 的介质为空气，s i ne 就是物方数值孔径n a 的值，由于厚玻璃不会改变光线出射 的角度，因此加了棱镜后物镜的数值孔径不会发生改变，但光线虽然被棱镜往上 弯曲了，折射角0 依然大于0 ，在棱镜的出射端( 相当于前镜片) 上的入射光线的 高度必然会降低，数值孔径n a 不变，那么工作距离比超没有棱镜的情况就要短很 多。要满足实际的应用必须满足以下两个条件： ( 1 ) 工作距离粕必须大于零，在图4 2 中即有： 1 ( h ，即d t a n 0 h 。 ( 2 ) 棱镜的等效厚度为高度的三倍，由于棱镜要预留装央的空间，而且它的 尺寸一般都是规格化的，所以图4 - 2 中的光线入射高度h 应该小于棱镜 的半高，相对于厚度d 就有，h ( d 6 ) 。 d i。一一 图4 - 2 棱镜的等效厚度与数值孑l 径的关系图 由上面的两个条件可以得到m n o 率越大越有利于保证最终的工作距离， ( 1 6 ，从图4 2 中可以看到，棱镜的折射 但如果考虑各种棱镜的可获取性，从通常 湖北工业大学硕士学位论文 - _ _ 一 m i l l _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - - _ _ 一 的商业目录查到这些棱镜在我国材料只有普通冕玻璃k 9 ( n = 1 5 1 6 ，v = 6 4 0 7 ) 和折射率稍高的钡冕b a 9 4 ( n = 1 5 5 2 5 ，v = 6 3 3 6 ) ，所以选择b a k 4 为棱镜材料，将 其n 值代入s n e l l 的折射公式有：s i n o = 1 ，5 5 2 5 s i n 0 ，将上面获得的t a n 0 ( 1 6 再 代入就可以得到n a = s i n 0 ( 0 2 5 5 ，这就说明了在以b a k 4 为棱镜材料时，就算 数值孔径为0 2 5 ，也能让w d 大于零，但再计算w d 的大小你会发现它u m 的量 纲级都不到，因此要满足需要，让w d 至少为2 u m ，有两种方法：一是牺牲一定 的数值孔径大小，二是换用折射率更高的特种棱镜材料，权衡经济性后选择通过 减小一定的数值孔径值来保证工作距离。 只有平行光通过棱镜不会产生任何像差，在光线倾斜入射棱镜的情况下，都 会产生除场曲外的所有三阶像差( s e i d e l ) ，而且会随厚度d 的增加而增大，因此 必须通过物镜端来校f 棱镜引起的像差。 在确定了基本的光学参数之后，需要参阅资料，寻找一个能够实现或者有可 能实现这些功能的初始结构。在文献 5 3 第9 9 5 页中找到个】6 1 的长工作距的初 始结构，它是按无穷远像距校正获得的，本设计需要1 0 。左右的放大倍率，因此它 的镜片变量的自由度多于三阶像差的数量，从而有可以校正棱镜引入的像差。把 它的各个镜片的参数导入到z e m a x 中，然后改变系统弯曲光线的能力，让它变动 到0 2 5 左右的数值孔径后，各镜片的数据如图4 3 所示，由于原设计最后的一块 玻璃( 盖玻片) 是国外牌号的冕玻璃，为了说明原结构特性换用国内牌号的k 9 。 ( 注：在程序仿真中全部用的中国玻璃，中国玻璃库的玻璃全加了后缀“一”) ， s u r f ：r ” d b j is t n a t r d i h t o 吐t y z n “1 “y z n 1 n i y ls t - n d - r d z n n n i t y z n h 4 i t y 图4 - 3 起始结构的镜头数据 盖玻片的存在可以方便下一步将其换成棱镜材料b a k 4 ，并逐步操作它的长和高来 湖北工业大学硕士学位论文 满足工业标准棱镜的尺寸，目标方棱镜的尺寸大小为i o t at r x or n m xt o n i m ， 那么厚平板玻璃的目标大小就为l o r n m ( 程序中用的半高5 mr r ) x3 0 m m ( 厚 度) 。 需。一j 鉴乒巍端融x 攒”“嚆：b b f lm ；熙一莲i 。；鬻嚣 。，。 i hl qh 百l 酚。几 e o p 口o oe x l s ：“” 。盎严5 ；! s k。7 ；：s 器；器懿 器器嚣 出 j 一| _ l = ：甚士；岁一l i ”“u e j j 日u t 0h e 6 13 i 帅 ；g ：劳；：嚣嚣嚣 霭1 只璺；：， 嘛焉暖熏爵噘 i ： ；二f + ；! ：j 7 ；l7 毳黟 t ， ；簿 。_ _ _ _ u _ _ _ u _ j _ _ _ _ _ _ _ _ 。 1 “1 匾 j 一一z 一一， f ，! ：勇譬， 壤鬻5 j 麓 ；：5 。，： f j n f ”i h i m m 畦啦i z “一 ! - 璺- ，一一毫蕊醢薷熏i f i 爵2 t 、z 、+ l f r n i ，。 霄岔k 、0 _ 。￥ 1乏 。：。妊”e，。：， 9 ” “。m t y 着：嚣m t ”5 塾嘴5 k 瓣嚼 蒲嚣t r i 戮。；。一 离凰瓣薷蓊7 怒夏 图4 - 41 6 。长工作距物镜的基本参数和部分评价图 显微物镜设计中为了程序光线追踪的精度和速度，也为了方便修改共轭距离， 湖北工业大学硕士学位论文 总按反向光路设计，靠左边的是实际像方的位置，因此需要将物方视场半高就是 用于成像的c c d 的对角线长度的一半。从图4 - 4 看到结构的后组为具有负光焦度 的双胶合组，它主要为了校正色差和场曲；前组为“单一双一单”的正光焦度组， 它们共同分担光焦度来减少轴外像差。负组在后、正组在前的结构可以保证有较 大的工作距离。从它初始结构特性和像差特性来看，它的工作距离较大，m t f 曲 线在高频区域接近衍射极限，实际的物方波像差在0 5 之内，场曲和畸变也很小， 只是色焦移较大，很有希望去满足本光路的要求。， 要获得设计的初始结构还得对以上的物镜做一系列的修改，首先需要把无限 共轭型式改成有限共轭的物镜型式，然后逐步把盖玻片“拉伸”成厚棱镜，厚棱 镜的加入不是一蹴而就所可以完成的，操作这个过程中技巧就是在优化函数时刻 监视像方边缘光线的出射角度的正弦值( r e a d ，s i n e ) 或是像方数值孑l 径( i s n a ) ， 对面1 0 按f 数( fn l a m b e r ) 求解曲率，更改f 数也就是更改数值孔径n a ，调整 f 数来保证像距大于0 ，当1 1 面上的边缘光线截高小于5 9 i n 较多时将对整个物镜 的尺寸同比例放大让它接近5 9 i n ，然后调回原来的视场大小，过程其间也要控制 好透镜或空气隙的边界条件，经过调整可以获得如下的结构( 图4 - 5 ) ，现在已经 是与设计的需求一致的有限筒长物镜结构，并且在加入了固定尺寸的厚棱镜的情 况下保留了2 p , m 的工作距离。 图4 6 显示了它的基本结构和部分像质评价曲线，左上方是从物方( c c d 靶 面) 到像方( 实际的物方) 的整体布局图；右上方是整个物镜的结构布局图：左 下方是光程差图；右下方是m t f 曲线。现阶段的波像差比改动前有所降度，同样， 图4 - 5 调整后的镜头数据 3 4 湖北工业大学硕士学位论文 _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - _ - - - _ _ _ - _ l _ - - - _ _ _ _ _ 一i _ - - _ _ 一 m t f 曲线无论是截至频率还是中低频部分较以前都有较得大的降低，这是主要是由 于改变共轭距离和引入厚棱镜过程中没有特意去校正像差，而且数值孔径相比开 始也有较大的降低。 盯、阿丽怿 刈一世牡= = 一 誉榄喾秽薹。 涮惫黔乞l 一离瞬舔幕熏嚼l 僻盟嚣? i = 伴目 叶 。 。 。 一_ 1 e 审誉掌带 。 。f 。 弋一 9 k 9 b i ”s ， i m y 嚣：盟bp n t e r “5 “ l e s t j 隳堞；躞一；= 岬器叫 1 02 5 h 日* 蹦o 睡s 0q “z b 一一 一一 m i f t cl i t 图4 - 6 调整后的物镜布局和部分像质评价 完成了初始结构的确立之后，接着将视场和波长设置为需求一致。为了整个 视场范围有均衡的图像效果，在视场栏设定o 、o 5 、0 7 0 7 、0 0 8 5 、1 一共5 个 场，输入要乘上最大视场半高4 2 唧。为了与应用光源波段更加匹配本设计在不 连续的多波段范围进行优化的，图4 7 所示为波长范围设置以及权重，是按所采用 的红、绿、蓝三种颜色的l f , d 的波长范围在多结构组中设置，并把中心波长的权 重设为边缘波长的4 倍。将物距( 图4 5 中的厚度1 2 ) 和像距( 图4 - 5 中的厚度o ) 作为补偿量来调整最佳成像位置。这样不仅与应用光源更加匹配，而且对每个单 独结构的消色差相当于在整个波段的复消色差。 完成了结构调整和参数设置，下一步的工作就是进行优化在此之前的调整 阶段只是将部分透镜的曲率作为了变量，为了有更好的校正像差，透镜厚度、空 湖北工业大学硕士学位论文 气间隔以及玻璃材料逐步被加为变量，让系统有更大的可变空间。 图4 7 多波段以及权重设置 通常优化一个系统比较好的方法就是从默认的优化函数开始，由于初始结构 已经有较好的像质水平，因而必须选择以质心为参考的波前均方根误差 r m s w a v e f r o n t c e n t r i o d 来构建默认评价函数，系统默认就会对不同的视场和不同 的波长按一定的权重找到一个波前均方根误差极小的优化结果，但必须加入系统 的需要严格控制的光学参数，这里主要包括：像方数值孔径i s n a ( 大于o 2 ) ；近 轴放大倍率p m a g ( 等于0 1 ) ；场曲f c u r ( 小于o 0 0 5 r a m ) ；归一化畸变d i s t ( 小 于o 1 ) ；工作距c t g t l 2 ( 大于2 r a m ) 。优化之初，通过操作全局搜索跳出局部最 小值，多运行几个长运转来寻找一种有优势的设计型式，最后则需要对所选择的 结构型式进行锤形优化，直到找到令人满意的结果。 在本显微物镜的优化过程中必须注意以下的几个方面： ( 1 )系统的起始结构已经有很好的像质，拥于很小的波像差( 小于1 ) ，优化 的过程中不能再操作那些与“光线”相关的量，比如均方根斑点尺寸( r m ss p o t s i z e ) ，它们忽略了光的波动本质，会引入较大的误差，可以按选取的默认优化函 数来控制均方根光程差( i t m so p d ) ，小的波像差才能达到好的m t f 效果。但一 个优化结果有很好的m t f 曲线，也会有更集中的均方根斑点图，均方根斑点尺寸 仍可作为评价手段，对于1 0 。的高分辨c c d 接收的显微物镜，要获取好的像质， 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! = ! ! ! ! ! i = = = = = im l = ! = = = = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = 光的衍射能量应该尽量集中，以免对周围像素的影响，经验上在物方( 软件仿真 中的像方) 的均方根斑点尺寸要控制到1 9 m 左右。 ( 2 )m t f 是一个强非线性的变量，当把m t f 作为优化函数时，特别是用物理 传函，除非当前的结构已经接近最优化的结果，否则整个过程慢而无功，因此优 化过程中常常需要在评价函数值很长时间没有变化的情况下，停下来考虑优化函 数中是否有相互矛盾的操作数，并观察操作数、约束、边界条件或是“求解”( s o l v e s ) 中哪些量对优化的阻碍很大，考虑能否放松它们的动态范围。对于本1 0 x 物镜优 化阶段，需要操作好1 0 0 1 p m m ，3 0 0 1 p m m 的m t f 值( 1 p = l i n ep a i r ) 。 ( 3 )畸变在传函中并不能反应出来，因此需要在优化函数中单独操作，对于视 场很小，倍率不大的1 0 “物镜，给很小的权就可以控制它到0 0 5 之下，同时为了 获得更佳的平场效果，对场曲定设定较大的权让它在整个优化函数中占据较大 的比重。 ( 4 )在使用全局搜索和锤形优化时，要使用代替玻璃，而不用模拟玻璃。因为 使用模拟玻璃的设计方案最后这些玻璃需要被转化回实际玻璃，然后重新优化， 重新选取的玻璃却往往很难再接近选用模拟玻璃获得的效果，并且为了有好的经 济效应，先查阅中国玻璃的价格和性能表，对一些太昂贵或化学、物理特性差的 玻璃加上惩罚，避免被选中。 图4 8 是优化好镜头的数据文件，半径和曲率都在进行公差分析之后换算成标 准尺寸了；图4 - 9 是镜头部分的剖面结构图。 在多结构组中进行优化后，在控制物距在很小的变化范围内的基础上，在三 个波段像方数值孔径都在o 2 以上，放大倍率在0 1 倍左右。光阑面位于第一面， 靠它的边框来实现，后组( 左边) 是f 2 ( n = 1 6 l ，v = 3 7 0 ) 与z k 7 ( n = 1 6 1 ，v = 6 0 ，6 ) 的双胶合，面1 与面3 的曲率半径相差很小，因此它们没有分担太多的光焦度， 它的存在价值主要是使像方主面靠外来获取最大可能的工作距离，此外面2 提供 一定程度的正色差来平衡系统的色差；前组是系统剩余像差的主要来源，它们整 体弯向像方，很大程度上避免了大量像差的出现，前组中的双胶合采用了折射率 高的火石组合l a f 4 ( n = 1 7 5 ，v = 3 5 0 ) 与z b a f l ( n = 1 6 2 ，v = 5 3 1 ) 来减小光线 的弯曲量，它用了高折射率、色散相对低的镧系玻璃l a f 4 来减少色差的引入量， 并留有一定的负球差来平衡弯月镜产生的正球差，最右端的负光焦度的弯月透镜 ( 并非齐名物镜) ，它提供负场曲( p e t z v a l ) 来平衡整个系统的像面弯曲，同时它的两 面的曲率都像差的影响较大、公差要求较高，厚棱镜引入的负球差和正色差抵消 3 7 湖北工业大学硕士学位论文 图4 ，8 优化后的物镜数据文件 f 人心 图4 9 优化后的物镜剖面结构图 了部分凸透镜引入的正球差和负色差，从而减轻了胶合面的负担。 以下就是在三个波段的光学参数数据与像质评价图，图4 1 0 是多结构数据中 的第一组结构，波长范围是( 6 3 5 nm 6 6 0 nr f l 6 8 0 nm ) ；图4 1 1 是多结构数 据中的第二组结构，波长范围是( 4 9 0 r tm 5 1 5r lm 5 5 0r lm ) ；图4 1 2 是多结 构数据中的第三组结构，波长范围是( 4 5 0nm 4 6 5nm 4 8 0nm ) 。图中按从 左到右、从上到下的顺序依次是系统数据、场曲和畸变、光斑图、衍射包围圆能 量、光程差、m t f 。 从图4 1 0 、图4 1 1 、图4 1 2 中可以看到，像的最边