CN103616759A - 显微镜光学变焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微镜光学变焦系统，涉及光学系统技术领域，包括有从物方到像方的顺序依次排列的具有正光焦度的前组元，具有正光焦度的变倍组元，具有负光焦度的补偿组元和具有正光焦度的后组元组成的系统；当变倍组元沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动；补偿组元固定沿物方到像方的方向移动，而前组元和后组元在整个系统中固定不动，所述系统的倍率则可从最低值-0.4倍达到最高值-3.2倍，变焦比达到了中等值(8:1)。本发明提供了一种简单可靠的光学结构，且光学性能优异，可以解决现有的光学变焦镜头为获得这种变焦比(8:1)而采用很复杂的光学结构，并且光学系统性能不是很理想的问题。

Description

显微镜光学变焦系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，尤其是一种光学镜头的焦距可以在一定范围内连续变化，从而实现倍率的连续改变的光学变焦系统。 

背景技术

变焦距光学镜头的焦距可以在一定范围内连续变化，从而实现倍率的连续改变。变焦距光学系统从原理方案上来说有两种：一为光学补偿；另为机械补偿，或称为绝对补偿。光学系统中的每个透镜组，一经设计与加工之后其焦距就是固定不变的，要改变整个系统的焦距，只能改变各个透镜组之间的距离。几个运动透镜组固连在一起作同方向的移动，达到在变焦的同时能减少像面的移动，这种系统叫做光学补偿系统。各个运动透镜组元按不同的运动规律作较复杂的移动，达到完全防止像面移动，这种系统叫做机械补偿系统。光学补偿是不能达到完全防止像面移动的，而机械补偿则可以通过精确控制两个运动组元的移动轨迹来达到像完全不移动，本发明属于机械补偿系统。它是专门为CCD视频系统而设计的连续变焦光学系统。 

发明内容

本发明的目的是提供一种显微镜光学变焦系统，它可以解决现有光学系统为达到中等变倍比(8:1)而采用很复杂的光学结构，而且成像质量不是很理想的问题。 

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：这种显微镜光学变焦系统，包括有有从物方到像方的顺序依次排列的具有正光焦度的前组元，具有正光焦度的变倍组元，具有负光焦度的补偿组元和具有正光焦度的后组元组成的系统； 

前组元为一个具有正光焦度的胶合组，由第一负透镜与第一正透镜胶合而成；第一负透镜采用平凹结构形式，平面朝向物方，凹面为胶合面；第一正透镜为双凸结构形式，球面半径较小的面为胶合面；前组作为一个整体是一个平凸结构形式，符合物或像处于无限远时的正透镜最小球差的结构形式；

变倍组元由第五正透镜组成，采用平凸结构形式，它的凸面朝向来自物方的平行光束，平面则向像方，它也符合物方无限远时球差最小的透镜结构形式；

补偿组元为一个具有负光焦度的胶合组，由第二负透镜与第二正透镜胶合而成；第二负透镜为双凹透镜，半径较大的凹面朝向物方，半径较小的凹面为胶合面；第二正透镜）为弯月结构形式，凸面为胶合面，凹面朝向像方；

后组元具有正的光焦度，它由第三正透镜，第四正透镜及第三负透镜组成；第三正透镜为双凸结构形式，半径较大的凸面朝向物方，半径较小的凸面朝向像方；第四正透镜为双凸结构形式，半径较小的凸面朝向物方，半径较大的凸面朝向像方；第三负透镜为双凹结构形式，半径较小的凹面朝向物方，半径较大的凹面朝向像方；

前组元的焦距为fG1，它的值满足以下条件：115< fG1<125；变倍组元的焦距为fG2，它满足下述条件：0.6< fG2/ fG1<0.7；补偿组元的焦距为fG3，它的值满足下述条件：-15.8< fG3<-14.3；后组元的焦距为fG4，它的值满足以下条件：33.8< fG4<35.8；当变倍组元沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动；补偿组元固定沿物方到像方的方向移动，而前组元和后组元在整个系统中固定不动，所述系统的倍率则可从最低值-0.4倍达到最高值-3.2倍。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果： 

1、本发明具有光学结构简单，中等的变焦比(8:1)，成像质量卓越的特点。

2、本发明当变倍组元沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动；补偿组元固定沿物方到像方的方向移动，而前组元和后组元在整个系统中固定不动，所述系统的倍率可从最低值-0.4倍达到最高值-3.2倍。 

3、本发明在变焦过程中，所有倍率的像方视场边缘具有很高的渐晕系数，严格保证了整个像面亮度的均匀性，很好地满足了CCD成像的要求。 

4、本发明的各个光学元件工艺性良好，易于加工，各元件的精度能得到很好的保证；所采用的玻璃材料均为常规材料，物理、化学性能稳定，确保系统能长时间保持优异的成像质量。 

附图说明

图1是本发明的光学系统示意图。 

图2为-0.4倍的光学传递函数图。 

图3为-0.4倍的像曲及畸变图。 

图4为-0.4倍的渐晕曲线图。 

图5为-2倍的光学传递函数图。 

图6为-2倍的像曲及畸变图。 

图7为-2倍的渐晕曲线图。 

图8为-3.2倍的光学传递函数图。 

图9为-3.2倍的像曲及畸变图。 

图10为-3.2倍的渐晕曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详述： 

图1的显微镜光学变焦系统，从物方到像方的顺序来看，整个系统由四部分组成：具有正光焦度的前组元G1，具有正光焦度的变倍组元G2，具有负光焦度的补偿组元G3，具有正光焦度的后组元G4。系统的倍率从最低值-0.4倍变到最高值-3.2倍的整个过程中，变倍组元G2先沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动；补偿组元G3固定沿物方到像方的方向移动，而前组G1元和后组元G4在整个系统中是固定不动的。来自物体的光线经前组元G1后通常会形成一个有限远共轭距的像，但在本系统中它的像成在无限远处，也就是说物体与前组元G1的物方焦平面重合。对于变倍组元G2来说，它的物距为无限远，无论变倍组元G2运动到系统中的哪个位置，它的放大率恒为零，它对整个变焦系统的倍率变化是没有贡献的。因此系统的倍率变化完全由补偿组元G3来承担，补偿组G3元运动开始位置的倍率与运动结束位置倍率的比值等于整个系统的变倍比。

前组元G1为一个具有正光焦度的胶合组，由第一负透镜L11与第一正透镜L12胶合而成；第一负透镜L11采用平凹结构形式，平面1朝向物方，凹面2为胶合面；第一正透镜L12为双凸结构形式，球面半径较小的面为胶合面，另一凸面3朝向物方；前组元G1作为一个整体来看是一个平凸结构形式，符合物或像处于无限远时的正透镜最小球差的结构形式。 

变倍组元G2由第五正透镜组成，采用平凸结构形式，它的凸面4朝向来自物方的平行光束，平面5则向像方，它也符合物方无限远时球差最小的透镜结构形式。 

补偿组元G3为一个具有负光焦度的胶合组，由第二负透镜L31与第二正透镜L32胶合而成；第二负透镜L31为双凹透镜，半径较大的凹面6朝向物方，半径较小的凹面7为胶合面；第二正透镜L32为弯月结构形式，凸面为胶合面，凹面8朝向像方。 

后组元G4具有正的光焦度，它由第三正透镜L41、第四正透镜L42及第三负透镜L43组成；第三正透镜L41为双凸结构形式，半径较大的凸面9朝向物方，半径较小的凸面10朝向像方；第四正透镜L42为双凸结构形式，半径较小的凸面11朝向物方，半径较大的凸面12朝向像方；第三负透镜L43为双凹结构形式，半径较小的凹面13朝向物方，半径较大的凹面14朝向像方。 

前组元G1的焦距为fG1，它的值满足以下条件：115< fG1<125，它是由系统的工作距离要求来决定的；变倍组元G2的焦距为fG2，则它满足下述条件：0.6< fG2/ fG1<0.7，它是从前组元G1和变倍组元G2组成的子系统在整个系统中所承担的倍率来考虑，另外还要考虑到在变焦过程中保证变倍组元G2不会与前组元G1以及补偿组元G3碰撞。 

补偿组元G3的焦距为fG3，它的值满足下述条件：-15.8< fG3<-14.3，当焦距fG3的取值大于-14.3时，光束经补偿组元G3后会强烈发散，导致它在后组元G4的入射高度会剧增，从而给低倍时像差的校正带来很大的困难；当焦距fG3的取值小于-15.8时，补偿组元G3变焦时它的行程会剧增，为了不致于碰撞到后组G4，补偿组元G3与后组元G4之间的初始间隔会变得很大，这也会导致光束在后组元G4的入射高度会剧增，从而给低倍时像差的校正带来很大的困难。 

后组元G4的焦距为fG4，它的值满足以下条件：33.8< fG4<35.8，这是由后组元G4在整个系统中所承担的倍率及系统所要求的后工作截距来决定的。 

下面的数据为本发明的一个实例： 

光学系统参数：

数值孔径NA=0.015～0.05，变倍范围：-0.4倍～-3.2倍，工作距离WD=117mm，后工作截距=102.8mm，像高y′=4mm，即最大兼容1/2″CCD。

表1数据为本发明镜头的一个实例；物镜从左到右的光学参数和特征数据如下表所示。 

表1 

d1=35～7.229～17.525，d2=4.32～42.894～51.195，d3=34～23.2～4.6

从图2可以看出最低倍-0.4倍时各个视场光学系统的低频、中频、高频所对应的光学传递函数值都很高，都接近了理论值，表明这个光学系统在轮廓放大、图像层次感及细节表现方面都非常出色，而且有很好的成像衬度。

从图3可以看出最低倍-0.4倍时两条像散曲线并没有完全重合，但是由微量像散存在造成的弥散斑已经小于光学系统本身由于光衍射本身形成的弥散斑，说明了这个微量的像散完全不会对成像质量造成任何影响。从右边的畸变曲线可知，最大的畸变出现在边缘视场，其值大约为-0.19%，对于CCD视频系统来说，这是个很小的值，甚至可以满足中等精度要求的测量系统使用。 

从图4可以看出只有在最边缘的视场附近才出现了微量的渐晕，其最小值为0.994，表明了几乎所有的成像光线都能达到像面，只有边缘视场附近极微量的光线被拦截掉，保证了整个像面亮度的均匀性。有些光学系统会出现边缘视场有0.5左右的渐晕，这会导致像面的四个角附近会出现较明显的阴暗区域，对CCD视频系统来说是非常有害的。 

从图5可以看出倍率为-2倍时各个视场光学系统的低频、中频、高频所对应的光学传递函数值都很高，都基本达到了理论值，表明这个光学系统在轮廓放大、图像层次感及细节表现方面都非常出色，而且有很好的成像衬度。 

从图6可以看出倍率为-2倍时两条像散曲线并没有完全重合，但是由微量像散存在造成的弥散斑已经小于光学系统本身由于光衍射本身形成的弥散斑，说明了这个微量的像散完全不会对成像质量造成任何影响。从右边的畸变曲线可知，最大的畸变出现在边缘视场，其值大约为0.07%，对于CCD视频系统来说，这是个非常小的值，甚至可以满足中高等精度要求的测量系统使用。 

从图7可以看出只有在最边缘的视场附近才出现了微量的渐晕，其最小值为0.98，表明了几乎所有的成像光线都能达到像面，只有边缘视场附近极微量的光线被拦截掉，保证了整个像面亮度的均匀性。有些光学系统会出现边缘视场有0.5左右的渐晕，这会导致像面的四个角附近会出现较明显的阴暗区域，对CCD视频系统来说是非常有害的。 

从图8可以看出最高倍-3.2倍时各个视场光学系统的低频、中频、高频所对应的光学传递函数值都很高，都基本达到了理论值，表明这个光学系统在轮廓放大、图像层次感及细节表现方面都非常出色，而且有很好的成像衬度。 

从图9可以看出最高倍-3.2倍时两条像散曲线并没有完全重合，但是由微量像散存在造成的弥散斑已经小于光学系统本身由于光衍射本身形成的弥散斑，说明了这个微量的像散完全不会对成像质量造成任何影响。从右边的畸变曲线可知，最大的畸变出现在边缘视场，其值大约为0.11%，对于CCD视频系统来说，这是个非常小的值，甚至可以满足中高等精度要求的测量系统使用。 

从图10可以看出只有在最边缘的视场附近才出现了微量的渐晕，其最小值为0.94，表明了几乎所有的成像光线都能达到像面，只有边缘视场附近极微量的光线被拦截掉，保证了整个像面亮度的均匀性。有些光学系统会出现边缘视场有0.5左右的渐晕，这会导致像面的四个角附近会出现较明显的阴暗区域，对CCD视频系统来说是非常有害的。 

Claims (1)

1.一种显微镜光学变焦系统，其特征在于：包括有从物方到像方的顺序依次排列的具有正光焦度的前组元（G1），具有正光焦度的变倍组元（G2），具有负光焦度的补偿组元（G3）和具有正光焦度的后组元（G4）组成的系统；

前组元（G1）为一个具有正光焦度的胶合组，由第一负透镜（L11）与第一正透镜（L12）胶合而成；第一负透镜（L11）采用平凹结构形式，平面朝向物方，凹面为胶合面；第一正透镜（L12）为双凸结构形式，球面半径较小的面为胶合面；前组（G1）作为一个整体是一个平凸结构形式，符合物或像处于无限远时的正透镜最小球差的结构形式；

变倍组元（G2）由第五正透镜组成，采用平凸结构形式，它的凸面朝向来自物方的平行光束，平面则向像方，它也符合物方无限远时球差最小的透镜结构形式；

补偿组元（G3）为一个具有负光焦度的胶合组，由第二负透镜（L31）与第二正透镜（L32）胶合而成；第二负透镜（L31）为双凹透镜，半径较大的凹面朝向物方，半径较小的凹面为胶合面；第二正透镜（L32）为弯月结构形式，凸面为胶合面，凹面朝向像方；

后组元（G4）具有正的光焦度，它由第三正透镜（L41），第四正透镜（L42）及第三负透镜（L43）组成；第三正透镜（L41）为双凸结构形式，半径较大的凸面朝向物方，半径较小的凸面朝向像方；第四正透镜（L42）为双凸结构形式，半径较小的凸面朝向物方，半径较大的凸面朝向像方；第三负透镜（L43）为双凹结构形式，半径较小的凹面朝向物方，半径较大的凹面朝向像方；

前组元（G1）的焦距为fG1，它的值满足以下条件：115< fG1<125；变倍组元（G2）的焦距为fG2，它满足下述条件：0.6< fG2/ fG1<0.7；补偿组元（G3）的焦距为fG3，它的值满足下述条件：-15.8< fG3<-14.3；后组元（G4）的焦距为fG4，它的值满足以下条件：33.8< fG4<35.8；当变倍组元（G2）沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动；补偿组元（G3）固定沿物方到像方的方向移动，而前组（G1）元和后组元（G4）在整个系统中固定不动，所述系统的倍率则可从最低值-0.4倍达到最高值-3.2倍。

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