Проектирование тубусной линзы с фокусируемой линзой для оптических систем инспекции

Более чёткое зрение для крошечных дефектов

От микросхем до медицинских устройств — современные изделия содержат такие мелкие элементы, что разглядеть их можно только с помощью мощных микроскопов. Однако эти высокоразрешающие оптики имеют и слабую сторону: они теряют резкость, если деталь сдвинется на всего лишь несколько тысячных миллиметра. В статье представлен новый тип объективной системы микроскопа, который поддерживает резкость изображения не перемещая стеклянные элементы, а аккуратно изменяя форму специальной жидкостной линзы с помощью электричества.

Почему высокая детализация обычно означает капризную фокусировку

Промышленные инспекционные системы предназначены для обнаружения мельчайших царапин, пылинок или дефектов рисунка на скорости производства. Чтобы видеть такие тонкие детали, используют оптику с большим углом сбора света, аналогично сильно открытой диафрагме камеры. Это повышает разрешение, но сужает «глубину резкости» — диапазон расстояний, в котором объекты остаются в фокусе. В изученных системах естественный диапазон в фокусе составляет всего несколько микрометров — тоньше большинства человеческих клеток. На вибрирующей линии или при неровной поверхности пластины такая бритвенно тонкая зона фокуса означает, что изображения легко размываются, что может приводить к пропущенным дефектам или ложным срабатываниям.

Проблемы при перемещении тяжёлого стекла

Традиционные микроскопы компенсируют сдвиги фокуса физическим перемещением образца, объективной группы или внутренней группы линз. В лаборатории это может быть приемлемо, но в промышленных инструментах вызывает затруднения. Движущаяся оптика требует точных механических столов, быстрых моторов и тщательного управления инерцией, особенно когда группы линз тяжёлые. Это увеличивает габариты, стоимость и сложность системы и может ограничивать её реакцию на изменения деталей или схем сканирования. По мере того как производители стремятся к более быстрой инспекции и всё меньшим размерам признаков, такие механические решения становятся узким местом.

Линза, меняющая форму по команде

Исследователи заменяют большую часть этой механики фокусируемой линзой — запечатанной каплей оптической жидкости за гибкой мембраной. Регулируя электрический ток, мембрана сильнее или слабее выпячивается, изменяя кривизну и, соответственно, фокусную силу линзы. В их конструкции этот настраиваемый элемент встроен в тубусную линзу — релейную линзу, размещённую за объективом и перед матрицей изображения. Такое расположение важно: тубусная линза работает под меньшим углом сбора света, чем объектив, поэтому она менее чувствительна к небольшим изменениям конструкции. Это упрощает сохранение общей величины увеличения и качества изображения, пока настраиваемая линза меняет форму.

Сохранение фокуса без смещения изображения

Чтобы это работало на практике, команда использовала оптическую теорию и подробные симуляции, чтобы точно рассчитать, насколько должна деформироваться настраиваемая линза для разных расстояний до объекта. Они смоделировали форму линзы, внутреннюю жидкость и тонкое покровное стекло, затем встроили эту модель в трёхгрупповую систему линз. На её основе спроектировали две инспекционные схемы: систему 10× для более мелких деталей и систему 5× для больших полей зрения. В обоих случаях настраиваемая линза подстраивается так, чтобы итоговая матрица оставалась в одном и том же положении, даже когда образец смещается вдоль оптической оси на величины, в десятки раз превышающие естественную глубину резкости.

Проверка качества изображения на виртуальных прототипах

Поскольку изготовление таких точных оптических элементов дорого, авторы опирались на продвинутое программное обеспечение для проектирования линз и провели обширные симуляции до изготовления аппаратной части. Они изучали, насколько компактно световые лучи собираются на матрице по сравнению с наименьшим пятном, допускаемым дифракцией, и проверяли, не искажаются ли формы изображений из‑за дисторсии. Для обеих кратностей моделируемые размеры пятен оставались близкими к дифракционному пределу во всём диапазоне настройки фокуса, а геометрические искажения были практически нулевыми. Они также провели тысячи испытаний Монте‑Карло, имитируя реальные производственные ошибки в формах стекол, зазорах и выравнивании. Даже с такими погрешностями большинство смоделированных систем сохраняли размеры пятен примерно в пределах двухкратного значения теоретического минимума — достаточно для требовательных инспекционных задач.

Что это означает для промышленных машин

Проще говоря, исследование показывает, что микроскоп может сохранять чёткое, точное изображение при регулировке фокуса исключительно за счёт изменения формы жидкостной линзы, без перемещения стекол или образца. Новая конструкция тубусной линзы справляется с реалистичными сдвигами образца, удерживая изменения увеличения в пределах примерно одного процента и сохраняя близкое к идеальному разрешение. Такое сочетание — быстрая электронная фокусировка, компактная механика и точная картинка — делает подход привлекательным для многих высококлассных инспекционных приборов, от сканеров полупроводниковых пластин до автоматических проверок прецизионных деталей. Это указывает на будущее фабричных микроскопов, которые фокусируются так же быстро и плавно, как цифровая камера, но при этом разрешают мельчайшие дефекты, критичные для современной промышленности.

Цитирование: Park, Y., Jo, Y.J., Ryu, J. et al. Design of a tube lens with a focus tunable lens for optical inspection systems. Sci Rep 16, 13067 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41904-6

Ключевые слова: оптическая инспекция, настраиваемая линза, автофокус, машинное зрение, микроскопия