CN100538429C - 成像物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种成像物镜，从物体侧至成像侧依次包括：第一透镜群，具有焦距F1，包括正的第一透镜组和负的第二透镜组，其中第一透镜组对应的焦距为F1a，而第二透镜组对应的焦距为F1b，并且第一透镜组可用于对焦；第二透镜群，其为变倍群，具有焦距F2；第三透镜群，其为补偿群，具有焦距F3，并可确保第二透镜群的像点在其焦距F3内；及第四透镜群，具有焦距F4。第一、第二、第三和第四透镜群共同组成一个有限共轭变倍系，并且整个成像物镜具有负焦距。
Description
技术领域
本发明关于一种成像物镜，尤其是一种用于显微镜的负焦距成像物镜，其对于相同倍率，可以得到增大的、物空间的数值孔径NAO，从而得以提高其分辨率。
背景技术
对于设计者来说，光线追迹法是建立镜组的初阶结构中最实用的方法，可以藉由简单的公式推导光在光学系统的路径。光线追迹法是建立在近轴的条件(Paraxial Condition)下，主要是利用光线的折射(Refraction)与传递(Transfer)相应的公式来追踪光线在光学系统中的路径。
而近轴光学(Paraxial Optics)则正是处理经过中心(轴心对称)光学系统(Centered Optical System)的光之传播问题。一般近轴光学系统包括旋转对称的反射面或折射面，这些面都有一个共同的轴，称为光轴(Optical Axis)。中心光学系统有一个性质，就是当光线非常靠近光轴地通过此系统时，总是与系统内任何镜面的法线(NormalLine)相交，产生一个小入射角。这样的光线称为近轴光线(ParaxialRay)。
如图1所示，即为一种简单近轴光学系统的示意图。一道光线R1平行光轴地由左边进入透镜L，之后透出、并与光轴交在某一点F’，此点称为透镜的焦点(Focal Point)(或称第二焦点(Second FocalPoint))。考虑一条光线R2由左边的点经过透镜，其在与R1进入系统的相同高度时以平行光轴的方式出射，这样可以定义为第一焦点(First Focal Point)F1。这两道光线相交于物空间(Object Space)中的同一点O与像空间(Image Space)的同一点O’，即O’是O的像。由于光线进入透镜的高度可以是任意的，所以包含O点而垂直光轴的平面会成像至包含O’且垂直光轴的平面上，这两个平面与光轴的交点称为主点(Principal Point)P与P’。第一主点P在物空间，而第二主点P’在像空间，因此P’是P的像。而且，由于O与O’离光轴的距离相等，则像的纵向(Lateral)放大率也是一致的。OP与O’P’平面为该光学系统的主平面(Principal Planes)，这两个主平面之间即为共轭(Conjugate)关系。由第一焦点至第一主点的距离称为第一焦距f(First Focal Length)，而第二主点至第二焦点的距离为第二焦距f’(Second Focal Length)或称有效焦距(Effective Focal Length，EFL)。
美国专利第7,023,622号揭露了一种用于微型显微镜的物镜(Objective)，其包括自物体侧(Object Side)至成像侧(Image Side)依次排列的正(Positive)的第一透镜，正的第二透镜和负(Negative)的第三透镜。该物镜具有的数值孔径(Numerical Aperture)大于或等于0.4；而其放大倍率(Magnification)则介于11至12之间，或者低于这个范围，但大于4。该专利旨在提供一种物镜系统，具有低放大倍率—数值孔径(Magnification-to-Numerical Aperture)的比率值(例如，低于30)，且同时具有一个较大的视场(Field of View，FOV)-直径(Diameter)的比率值(例如，大于0.1)。
而另一种公开于美国专利第6,560,033的物镜(Objective Lens)则包括，从物体侧至成像侧，一个正的新月形状的第一透镜(MeniscusPositive First Lens)、正的第二透镜组(Second Lens Group with aPositive Refractive Power)、正的第三透镜组(Third Lens Group with aPositive Refractive Power)、第四透镜组(Fourth Lens Group)和第一透镜组(Fifth Lens Group)。这种用于显微镜的物镜系统之放大倍率(Magnification)可达50，并具有一个较长的工作距离(Long WorkingDistance)，其数值孔径(Numerical Aperture)可提高至0.55。
另一件美国专利第6,501,603号则公开了一种采用高斯透镜组(Gauss Lens Set)而应用于显微镜的物镜。这种物镜包括正的第一透镜组G1和第二透镜组G2，该第二透镜组G2则包括数个高斯透镜组G2A、G2C，且每个高斯透镜组分别包括，从物体侧至成像侧，具有一个朝向成像面的凹面(Concave Surface)的新月形光学组件(Meniscus-Shaped Optical Element)和一个朝向物体侧的凹面的新月形光学组件。这种物镜旨在利用高斯透镜组来纠正像差(AberrationCorrection)，但是由于使用了两个以上的高斯透镜组，因此会增加该物镜的总长度和总体积，而且同时也提高成本。
图2中所示者为一个现有技术的正焦光学系统(Optical Systemwith a Positive Focal Length)的近轴示意图。通常，这样的正焦光学系统在物空间的数值孔径(Numerical Aperture in Object Space，NAO)和倍率(Magnification，M)相互对应的数据值如下：
| NAO | M |
| 0.05 | 0.9 |
| 0.1 | 4 |
| 0.25 | 10 |
| 0.4 | 25 |
| 0.65 | 40 |
| 0.85 | 63 |
| 1.25 | 100 |
如果倍率M为0.9至9倍之间时，这样的正焦系统的NAO为0.05至0.15，则根据显微物镜的分辨率公式δ＝0.61*λ/NAO，其解析范围为4.06λ至12.2λ，则该正焦系统的分辨率(Resolution)并不理想。
而且，对于正焦系统来说，其倍率大则镜物距(Distance betweenan Object and the Objective Lens)小，而倍率小则镜物距大。在大镜物距时，要增大NAO，就要增大镜头的口径(Aperture)，不利于提高镜头品质。但，负焦光学系统则正好与正焦光学系统相反，可以在低倍率时有较大的NAO值。因此，有必要设计一种负焦距成像物镜，使得对于相同倍率，可以得到增大的NAO，从而得以提高其分辨率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种负焦距成像物镜，其对于相同倍率，可以得到增大的NAO，因而能得到相对较高的分辨率。
为实现上述目的，本发明之成像物镜，从物体侧至成像侧依次包括：具有焦距F1的第一透镜群，包括正的第一透镜组和负的第二透镜组，其中第一透镜组对应的焦距为F1a，而第二透镜组对应的焦距为F1b，并且第一透镜组可用于对焦；第二透镜群，其为变倍群，具有焦距F2；第三透镜群，其为补偿群，具有焦距F3，并可确保第二透镜群的像点在其焦距F3内；及第四透镜群，具有焦距F4。第一、第二、第三和第四透镜群共同组成一个有限共轭变倍系，并且整个成像物镜具有负焦距。
第一透镜群的第一透镜组的焦距F1a与第一透镜群的焦距F1之间满足关系式：F1a＝0.8～1.2F1。第一和第二透镜群之焦距F1和F2之间满足关系式：F2＝1.8～2.2F1。第三透镜群之焦距满足关系式：F3＝6～8(D1+D2+D3)，其中D1、D2和D3分别为第一和第二透镜群、第二和第三透镜群及第三和第四透镜群之间的间隔。
本发明之成像物镜进一步包括一个光阑(Aperture Stop)，设于第二和第三透镜群之间。
自物体侧至成像侧，第一透镜群之第一透镜组包括一个双平面透镜和两个双凸面透镜，第二透镜组包括一个双凸透镜和一双凹透镜；该第一透镜群共有10个表面r1至r10。
第一透镜群的最后一面r10为非球面，用以校正高倍率时的孔径像差，改善轴上球差。面r10的锥度系数为K＝0.003035479，曲面半径为1.738237，且第四、第六、第八和第十顺序的非球面系数分别为0.0021409099、-0.022174842、0.010690177和-0.0099233468。
自物体侧至成像侧，第二透镜群包括一个双凸透镜和一个双凹透镜，共有4个表面r11至r14；第三透镜群包括一个双凹透镜、一个凸—凹透镜和一个双凸透镜，共有6个表面r15至r20。
自物体侧至成像侧，第四透镜群包括一个双凸透镜、一个凹—凸透镜和两个双平面透镜，共有8个表面r21至r28。第四透镜群之第一面r21为非球面，用以校正视场相关之像差。面r21的锥度系数为K＝-0.6602577，曲面半径为2.504539，厚度为0.007282585，折射率为1.520200，Abbe数(Abbe-Number)为52.020000，且第四、第六、第八和第十顺序的非球面系数分别为0.039342084、0.01913038、-0.0085947166和0.018000121。且第四透镜群的最后一面r28为平面。
附图说明
图1是一种现有技术之近轴光学系统的示意图；
图2是一种现有技术之正焦距光学系统的近轴示意图；
图3是本发明成像物镜的近轴示意图；
图4A是本发明成像物镜于第一位置的结构示意图；
图4B是本发明成像物镜于第二位置的结构示意图；
图4C是本发明成像物镜于第三位置的结构示意图；
图4D是本发明成像物镜于第四位置的结构示意图；
图4E是本发明成像物镜于第五位置的结构示意图；
图5A是本发明成像物镜之r10面为非球面时的纵向球面色差图；
图5B是本发明成像物镜之r10面为球面时的纵向球面色差图；
图6A是本发明成像物镜变倍率为9、且r21为非球面时的场曲和像散图；
图6B是本发明成像物镜变倍率为9、且r21为非球面时的畸变图；
图7A是本发明成像物镜变倍率为9、且r21为球面时的场曲和像散图；
图7B是本发明成像物镜变倍率为9、且r21为球面时的畸变图。
具体实施方式
现结合说明书附图，对本发明成像物镜作进一步的详细说明。
请参阅图4A至4E，本发明之成像物镜，从物体侧至成像侧，包括：正的第一透镜群G1、正的第二透镜组G2、正的第三透镜组G3和正的第四透镜组G4。从整体而言，本发明之成像物镜为负焦距成像物镜。
第一透镜组G1具有焦距F1，包括正的第一透镜组和负的第二透镜组。其中，第一透镜组对应的焦距为F1a，而第二透镜组对应的焦距为F1b，并且第一透镜组可用于对焦。第二透镜群G2为变倍群，具有焦距F2；第三透镜群G3为补偿群，具有焦距F3，并可确保第二透镜群G2的像点在其焦距F3内；而第四透镜群G4具有焦距F4。
其中，第一、第二、第三和第四透镜群G1、G2、G3、G4共同组成一个有限共轭变倍系(Finite Conjugative Magnification System)，并且整个成像物镜具有负焦距(Negative Focal Length)。
第一透镜群G1的第一透镜组的焦距F1a与第一透镜群G1的焦距F1之间满足关系式：F1a＝0.8～1.2F1。第一和第二透镜群G1、G2之焦距F1和F2之间满足关系式：F2＝1.8～2.2F1。第三透镜群G3之焦距满足关系式：F3＝6～8(D1+D2+D3)。其中D1、D2和D3分别为第一和第二透镜群G1、G2，第二和第三透镜群G2、G3，及第三和第四透镜群G3、G4之间的间隔。
本发明之负焦距成像物镜进一步包括一个光阑(Aperture Stop)ST，设于第二和第三透镜群G2、G3之间。
其中，自物体侧至成像侧，第一透镜群G1之第一透镜组包括一个双平面(double-plane)透镜和两个双凸(double-convex)透镜，第二透镜组包括一个双凸透镜和一双凹(double-concave)透镜；该第一透镜群G1共有10个表面r1至r10。
第一透镜群G1的最后一面r10为非球面(Aspherical Surface)，用以校正高倍率时的孔径像差(Pupil Aberration)，改善轴上球差(Spherical Aberration on Axis)。面r10的锥度系数(Conic Coefficient)为K＝0.003035479，曲面半径(Curvature Radius)为1.738237，且第四、第六、第八和第十顺序的非球面系数(Aspherical SurfaceCoefficient)分别为0.0021409099、-0.022174842、0.010690177和-0.0099233468。
自物体侧至成像侧，第二透镜群G2包括一个双凸透镜和一个双凹透镜，共有4个表面r11至r14；而第三透镜群G3包括一个双凹透镜、一个凸-凹透镜和一个双凸透镜，共有6个表面r15至r20。
自物体侧至成像侧，第四透镜群G4包括一个双凸透镜、一个凹-凸透镜和两个双平面透镜，共有8个表面r21至r28。第四透镜群G4之第一面r21为非球面，用以校正视场(Field of View，FOV)相关之像差(Aberration)。面r21的锥度系数(Conic Coefficient)为K＝-0.6602577，曲面半径为2.504539，厚度为0.007282585，折射率(Refractive Index)为1.520200，Abbe数(Abbe-Number)为52.020000，且第四、第六、第八和第十顺序的非球面系数(Aspherical SurfaceCoefficient)分别为0.039342084、0.01913038、-0.0085947166和0.018000121。且第四透镜群G4的最后一面r28为平面。
图3所示为本发明之负焦距成像物镜之近轴示意图。通过与图2所示之现有技术的正焦距系统的近轴示意图相比较，可以看出：对于正焦系统，其倍率大则镜物距小，而倍率小则镜物距大。在大镜物距时，要增大物空间的数值孔径(Numerical Aperture of Object Space)NAO，就要增大镜头的口径(Aperture)，不利提高镜头品质。但是，本发明之负焦距成像物镜系统则正好与正焦系统相反，可以在低倍率时有较大的NAO值。
本发明之负焦距成像物镜的倍率为0.9至9倍，对应的NAO值为0.07至0.42。而如前所述，对于正焦系统来说，要得到相同的倍率，其合适的NAO值为0.05至0.15。
根据显微物镜的解析公式：δ＝0.61*λ/NAO，则正焦系统的解析范围为：4.06λ至12.2λ；而本发明之负焦距物镜的解析范围为：1.45λ至8.7λ。显然，本发明之负焦距物镜的分辨率比同倍率的正焦系统高2至3倍。
表一所示为本发明之负焦距物镜各表面的相关参数(SURFACEDATA SUMMARY)，其中OBJ、STO和IMA分别代表的是待成像物体.(Object)、光阑(Aperture Stop)和成像面(Image Plane)。
表一
| 表面 | 类型 | 半径 | 厚度 | 折射率 | Abbe数 | 锥度系数 |
| OBJ | 标准 | 无限 | 0.678401 | 0 | ||
| 1 | 标准 | 无限 | 0.174782 | 1.516800 | 64.167336 | 0 |
| 2 | 标准 | 无限 | 0.4223899 | 0 | ||
| 3 | 标准 | -10.58713 | 0.7282585 | 1.846660 | 23.777940 | 0 |
| 4 | 标准 | -2.607165 | 0.02913034 | 0 | ||
| 5 | 标准 | 4.313621 | 0.7282585 | 1.846660 | 23.777940 | 0 |
| 6 | 标准 | -9.404439 | 0.7004091 | 0 | ||
| 7 | 标准 | 2.200215 | 0.7151499 | 1.603001 | 65.443648 | 0 |
| 8 | 标准 | -2.259058 | 0.1456517 | 1.805181 | 25.425363 | 0 |
| 9 | 标准 | 1.768503 | 0.007282585 | 1.520200 | 52.020000 | 0 |
| 10 | EVENASPH | 1.738237 | 0 | 0.003035479 | ||
| 11 | 标准 | 2.913034 | 0 | 0 | ||
| 12 | 标准 | 无限 | 7.81441 | 0 | ||
| 13 | 标准 | 4.157919 | 0.6364979 | 1.618000 | 63.333504 | 0 |
| 14 | 标准 | -1.290037 | 0.1456517 | 1.850255 | 32.169919 | 0 |
| 15 | 标准 | -2.403836 | 0.6978181 | 0 | ||
| 16 | 标准 | -2.456125 | 0.1456517 | 1.539956 | 59.462478 | 0 |
| 17 | 标准 | 1.827051 | 0.7282585 | 1.846659 | 23.780116 | 0 |
| 18 | 标准 | 1.343346 | 0.9133284 | 0 | ||
| 19 | 标准 | 8.609618 | 0.7282585 | 1.496999 | 81.545888 | 0 |
| 20 | 标准 | -1.592264 | 4.565746 | 0 | ||
| 21 | EVENASPH | 2.504539 | 0.007282585 | 1.520200 | 52.020000 | -0.6602577 |
| 22 | 标准 | 2.239541 | 0.6088241 | 1.846659 | 23.780116 | 0 |
| 23 | 标准 | -12.46779 | 0.2347777 | 0 | ||
| 24 | 标准 | -1.964259 | 0.1456517 | 1.728250 | 28.460599 | 0 |
| 25 | 标准 | 无限 | 1.019562 | 0 | ||
| 26 | 标准 | 无限 | 0.05826068 | 1.516800 | 64.167336 | 0 |
| 27 | 标准 | 无限 | 0.5243461 | 0 |
| 28 | 标准 | 无限 | -0.002760054 | 0 | ||
| IMA | 标准 | 无限 | 0 |
并且同时还满足：
表面r10： EVENASPH
非球面系数r4： 0.0021409099
非球面系数r6： -0.022174842
非球面系数r8： 0.010690177
非球面系数r10： -0.0099233468
表面r21： EVENASPH
非球面系数r4： 0.039342084
非球面系数r6： 0.01913038
非球面系数r8： -0.0085947166
非球面系数r10： 0.018000121
表二所示为本发明负焦距成像物镜不同倍率与数值孔径及相关透镜厚度之间的对应关系表。
表二
| 倍率 | 0.9 | 1.5 | 3 | 6 | 9 |
| 数值孔径 | 0.07 | 0.09 | 0.17 | 0.31 | 0.42 |
| 厚度12 | 7.81441 | 4.366646 | 1.88076 | 0.678849 | 0.291303 |
| 厚度15 | 0.697818 | 0.509781 | 2.425636 | 7.548696 | 12.49537 |
| 厚度20 | 4.565746 | 8.201547 | 8.771578 | 4.850429 | 0.291303 |
图4A至4E所示分别为本发明负焦距成像物镜之倍率为0.9、1.5、3、6和9时，本发明物镜之第一、第二、第三和第四透镜组G1、G2、G3、G4之间、对应的第一、第二、第三、第四和第五位置的示意图。
图5A、5B图是本发明负焦距成像物镜之r10面分别为非球面和球面时的纵向球面色差(Longitudinal Spherical Aberration)图。图6A、图7A是本发明负焦距成像物镜变倍率为9、且r21分别为非球面和球面时的场曲和像散(Astigmatic and Field Curves Aberration)图。图6B、图7B是本发明负焦距成像物镜变倍率为9、且r21分别为非球面和球面时的畸变(Distortion)图。
综上所述，本发明之负焦距成像物镜通过第一、第二、第三和第四透镜群G1、G2、G3、G4构成有限共轭变倍系，全系以负焦距系统对实物成实象，有利于提高相同倍率的物镜的分辨率。
Claims (11)
1、一种成像物镜，自物体侧至成像侧依次包含有：具有焦距F1的第一透镜群、具有焦距F2的第二透镜群、具有焦距F3的第三透镜群及具有焦距F4的第四透镜群；其特征在于：第一透镜群包括正的第一透镜组和负的第二透镜组，其中第一透镜组对应的焦距为F1a，而第二透镜组对应的焦距为F1b，并且第一透镜组可用于对焦；第二透镜群为变倍群；第三透镜群为补偿群，并可确保第二透镜群的像点在其焦距F3内；第一、第二、第三和第四透镜群共同组成一个有限共轭变倍系，并且整个成像物镜具有负焦距。
2、如权利要求1所述之成像物镜，其特征在于：第一透镜群的第一透镜组的焦距F1a与第一透镜群的焦距F1之间满足关系式：F1a＝0.8～1.2F1。
3、如权利要求2所述之成像物镜，其特征在于：第一和第二透镜群之焦距F1和F2之间满足关系式：F2＝1.8～2.2F1。
4、如权利要求3所述之成像物镜，其特征在于：第三透镜群之焦距满足关系式：6*(D1+D2+D3)≤F3≤8*(D1+D2+D3)，其中D1、D2和D3分别为第一和第二透镜群、第二和第三透镜群及第三和第四透镜群之间的间隔。
5、如权利要求4所述之成像物镜，其特征在于：进一步包含有一光阑，该光阑设置于第二和第三透镜群之间。
6、如权利要求5所述之成像物镜，其特征在于：自物体侧至成像侧，第一透镜群之第一透镜组包括一个双平面透镜和两个双凸面透镜，第二透镜组包括一个双凸透镜和一双凹透镜；该第一透镜群共有10个表面r1至r10。
7、如权利要求6所述之成像物镜，其特征在于：第一透镜群的最后一面r10为非球面，用以校正高倍率时的孔径像差，改善轴上球差。
8、如权利要求7所述之成像物镜，其特征在于：自物体侧至成像侧，第二透镜群包括一个双凸透镜和一个双凹透镜，共有4个表面r11至r14。
9、如权利要求8所述之成像物镜，其特征在于：自物体侧至成像侧，第三透镜群包括一个双凹透镜、一个凸一凹透镜和一个双凸透镜，共有6个表面r15至r20。
10、如权利要求9所述之成像物镜，其特征在于：自物体侧至成像侧，第四透镜群包括一个双凸透镜、一个凹—凸透镜和两个双平面透镜，共有8个表面r21至r28。
11、如权利要求10所述之成像物镜，其特征在于：第四透镜群之第一面r21为非球面，用以校正视场相关之像差。
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