CN104516096A - 镜筒透镜单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于显微镜的镜筒透镜单元，具有消色差校正的效果，用于和具有无穷大像距和消色差的剩余误差的物镜一起使用。按照本发明，镜筒透镜单元包括至少两个透镜(L1、L2、L3、L4、L5)，至少两个透镜具有以下特性：np<1.50和vp<71nN<1.66和vN<37其中np和nN分别代表正透镜和负透镜在546nm的波长时的折射率(ne)，vp和vN分别代表正透镜和负透镜在546nm的波长(WL2)时的阿贝数(ve)以及光路通过以下条件表征：|δA|<0.60和|δB|<0.30其中δA代表孔径光束的波动——在穿过透镜(L1、L2、L3、L4、L5)的面(F2、F3、F4、F5、F6)时对于17.55mm的入射光瞳(EP)直径的穿透高度，δB代表主光束的波动——在穿过透镜(L1、L2、L3、L4、L5)的面(F2、F3、F4、F5、F6)时对于w＝3.23度的输入角的穿透高度。

Description

镜筒透镜单元
技术领域
本发明涉及一种用于显微镜的镜筒透镜单元，具有消色差校正的效果，用于和具有无穷大的像距和消色差的剩余误差的物镜一起使用。
背景技术
已知有所谓的ICS系统(“infinity color free correction systems”：无限远色彩自由校正系统)，该系统包括具有色彩剩余误差和无穷大像距的物镜以及具有色彩补偿效果的镜筒透镜单元。
借助这种系统实现了，尽管存在物镜的色彩剩余误差，也能没有色差地产生中间图像，并在整个成像区域中获得在显微镜下的物体细节的极其色彩真实的再现。
已知的ICS系统的一个主要缺点是，在物镜和镜筒透镜单元之间的距离仅能在狭小的范围中变化，因此该系统被限制于预先给定的镜筒透镜单元并且就此而言仅能用于预先给定的镜筒透镜单元针对其设计的设备。
在WO2005/088378中描述了一种镜筒透镜单元，该镜筒透镜单元在和具有无穷大像距和色彩剩余误差的物镜一起使用时实现了色彩补偿效果。但是在此没有修正在显微镜物镜和镜筒透镜之间的无穷大空间，这是因为其色差得到补偿。证实为不利的是，无穷大空间是不能变化的。此外，在物镜和镜筒透镜单元之间侧向偏移时在光轴上产生横向色差。
此外，在US 2010172029中描述了一种经修正的镜筒透镜单元。为了尽可能消除色差，必须使用具有反常色散的、非常昂贵的镜片。这种解决方案中的缺点是，与无穷大空间相关的像散性的波动没有得到充分地排除。此外没有实现物镜和镜筒透镜单元的横向色差的完全补偿。
发明内容
从现有技术的解决方案的缺点出发，本发明的目的是，在紧凑性和健壮性/鲁棒性方面改进镜筒透镜单元，其中，紧凑性的特征在于短的结构长度，健壮性规定了在透镜的倾斜误差和侧向偏移时像差变化的最小化以及在穿过镜筒透镜单元时孔径光束以及主光束的高度波动。
孔径光束在此是从轴向物点出发并且触碰到孔径边缘的光束，而主光束是从最高的区域点出发并经过入射光瞳的中心的光束。
根据本发明，该目的借助开头所述类型的、具有权利要求1的特征的镜筒透镜单元实现。在从属权利要求2至6中给出了有利的设计方案。
根据本发明，所述镜筒透镜单元包括至少两个透镜，该至少两个透镜具有以下特性：
np<1.50和vp<71
nN<1.66和vN<37
其中，np和nN分别代表在546nm的波长时正透镜/凸透镜和负透镜/凹透镜的折射率，vp和vN分别代表在546nm的波长时正透镜和负透镜的阿贝数，光路通过以下条件表征：
|δA|<0.60和|δB|<0.30
其中，δA代表孔径光束的波动——对于17.55mm的入射光瞳直径在穿过透镜的表面时的穿透高度，δB代表主光束的波动——对于w＝3.23度的输入角在穿过透镜的表面时的穿透高度。
有利地，所述镜筒透镜单元包括一具有两个透镜的粘结透镜单元，该粘结透镜单元从无穷大空间出发通过具有负的折射力/折射能力的弯月形透镜和具有正的折射力的双凸透镜表征。
优选地，在入射光瞳在第一面上、17.55mm的入射光瞳直径、无穷远的物面位置、195.03mm的焦距和22的视区域数的情况下，变型方案的特征在于以下功能数据：
其中，r是以mm为单位的半径，d是以mm为单位的透镜的厚度或者气隙，ne是折射率，ve是阿贝数。
在另一个有利的变型设计方案中，所述镜筒透镜单元包括一双凸透镜(L1)和一粘结透镜单元，该双凸透镜从无穷大空间出发布置并且具有正的折射力，该粘结透镜单元包括具有负的折射力的弯月形透镜(L2)和具有正的折射力的弯月形透镜(L3)，其中，弯月形透镜(L2、L3)的所有面的曲率半径位于成像侧。
优选地，在第一种实施方式中，在入射光瞳在第一面上、17.55mm的入射光瞳直径、无穷远的物面位置、195.02mm的焦距和22的视区域数的情况下，变型方案的特征在于以下功能数据：
以及在第二个实施方式中，在入射光瞳在第一面上、17.55mm的入射光瞳直径、无穷远的物面位置、195.00mm的焦距和22的视区域数的情况下，变型方案的特征在于以下功能数据：
其中，r是以mm为单位的半径，d是以mm为单位的透镜的厚度或者气隙，ne是折射率，ve是阿贝数。
借助用于光谱线C'＝643.85nm和F'＝479.99nm的传统意义上的消色差性，横向色差不能通过物镜得到完全补偿。从C'-F'到d-h的消色差性的重心转移以在显微镜中越来越多地应用摄像机为基础。在C'-F'时的消色差性表明，焦点位置在光谱线C'(643.85nm)和F'(479.99nm)的情况下是相同的，而在d-h时的消色差性应理解为，焦点位置在光谱线d＝587.56nm和h＝404.65nm的情况下是相同的。C'、F'、d和h在此是辐射器/光源的特定的光谱线、也就是特定的波长。
CCD-传感器通常具有更宽的光谱灵敏性的范围。红外射束通过IR阻挡滤光片滤出。在短波长的范围内，CCD-传感器大多具有比人眼更高的光谱灵敏度。镜筒透镜单元实现了对于光谱线d＝587.56nm和h＝404.65nm的消色差性，因此色差连同物镜一起在整个视觉范围(VIS)中能够得到完全补偿。
成像误差，如球形像差、彗形像差、像散性和区域拱曲对于17.55mm的入射光瞳被尽可能地修正，因此可以将其称为“限制衍射地修正”。在镜筒透镜单元之前无穷大空间±35mm的变化情况下，像散性和横向色差很少地改变。
附图说明
下面根据两个实施例详细说明根据本发明的镜筒透镜单元。在此示出：
图1：具有三个透镜的镜筒透镜单元的视图，
图2：具有两个透镜的镜筒透镜单元的视图，
图3：按照根据图1的实施例(第一变型方案)的、取决于入射光瞳的纵向像差的视图，
图4：按照根据图1的实施例(第一变型方案)的横向色差和纵向色差的视图，和
图5：按照根据图1的实施例(第一变型方案)的像散性和变形和区域有关的成像误差的视图。
具体实施方式
图1在第一实施例中示出根据本发明的镜筒透镜单元，具有双凸的单透镜L1和粘结透镜单元，该粘结透镜单元包括具有负的折射力的弯月形透镜L2和具有正的折射力的弯月形透镜L3。此外，图1示出了半径r1至r6、面F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、透镜L1、L2、L3的厚度d2、d4、d5、在入射光瞳EP和透镜L1之间的气隙d1、在透镜L1和L2之间的气隙d3以及在透镜L3和中间成像面ZBE之间的气隙d6。透镜L2和L3的所有面F4、F5、F6的曲率中心r4、r5、r6位于成像侧。
在第一变型方案中在入射光瞳EP在第一面F1上、17.55mm的入射光瞳EP直径、无穷远的物面位置、195.02mm的焦距f'和22的视区域数的情况下，镜筒透镜单元的这个实施例的特征在于以下功能数据：
和在第二变型方案中在入射光瞳在第一面上、17.55mm的入射光瞳直径、无穷远的物面位置、195.00mm的焦距和22的视区域数的情况下，优选地特征在于以下设计数据：
其中，半径r1至r7以及厚度或气隙d1至d7以mm为单位，ne是折射率，ve是阿贝数。
图2示出了根据本发明的镜筒透镜单元的第二实施例，包括具有两个透镜L4、L5的粘结透镜单元，其中从无穷大空间出发，透镜L4设计为弯月形透镜，透镜L5设计为具有负的折射力的双凸透镜。此外，图2示出了半径r1至r5、透镜L4、L5的厚度d2、d3、面F1、F2、F3、F4、F5、在入射光瞳EP和透镜L4之间的气隙d1以及在透镜L5和中间成像面ZBE之间的气隙d4。
在第一变型方案中在入射光瞳EP在第一面F1上、17.55mm的入射光瞳EP直径、无穷远的物面位置、195.03mm的焦距f'和22的视区域数的情况下，镜筒透镜单元的这个实施例特征在于以下功能数据：
其中，半径r1至r5以及厚度或气隙d1至d4以mm为单位，ne是折射率，ve是阿贝数。
图3示出按照第一实施例(图1，第一变型方案)的镜筒透镜单元的、取决于入射光瞳EP的纵向像差。入射光瞳EP的最大半径在此是8.7750mm。纵向像差是对于波长WL1＝0.480μm，WL2＝0.546μm，WL3＝0.644μm和WL4＝0.436μm显示的，其中，在纵坐标轴中一条刻度线相当于0.8775mm。
从曲线的走向中可以看出，球形像差几乎被修正。此外可以看出的是，即使在按照传统意义确定不用于波长WL1和WL2，也在此产生消色差性。
图4示出按照第一实施例(图1，第一变型方案)的、取决于以nm为单位的不同波长的、+11mm(图4a)的图像高度的横向色差和在17.55mm的入射光瞳直径(图4b)的情况下的纵向色差。对于波长h(404.65nm)和d(587.56nm)的焦点位置是几乎相同的(图4b)，这表明，对于波长h和d实现了消色差性。
在图5中示出按照第一实施例(图1，第一变型方案)的、取决于图像高度Y(最大11mm)的、在四个不同波长WL1＝0.480μm，WL2＝0.546μm，WL3＝0.644μm和WL4＝0.436μm的情况下的像散性(图5a)和变形(图5b)的和区域有关的成像误差，其中，S规定了纵向的图像层面(Bildschale)，T规定了切向的图像层面。对于17.55mm直径的入射光瞳EP，在图像空间中的焦深为0.27mm。在纵向的图像层面S和切向的图像层面T之间的区域边缘上的距离(图5a)在所有给出的波长中都小于0.05mm，也就是说其大约是焦深的六分之一。像散性因此几乎被修正。变形(图5b)在区域边缘上为-0.24％，并且可以与物镜一起修正。
附图标记列表：
L1、L2、L3、L4、L5            透镜
r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7    半径
d1、d2、d3、d4、d5、d6        厚度/气隙
F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7    面
EP                            入射光瞳
f'                            焦距
ZBE                           中间成像面
ne                            折射率
ve                            阿贝数
WL1、WL2、WL3、WL4            波长
S                             纵向的图像层面
T                             切向的图像层面
Y                             图像高度

Claims (6)

1.一种用于显微镜的镜筒透镜单元，具有消色差校正的效果，该镜筒透镜单元用于和具有无穷大的像距和消色差的剩余误差的物镜一起使用，
其特征在于，
所述镜筒透镜单元包括至少两个透镜(L1、L2、L3、L4、L5)，该至少两个透镜具有以下特性：
np<1.50和vp<71
nN<1.66和vN<37
其中，np和nN分别代表正透镜和负透镜在546nm的波长时的折射率(ne)，vp和vN分别代表正透镜和负透镜在546nm的波长(WL2)时的阿贝数(ve)，以及光路通过以下条件表征：
|δA|<0.60和|δB|<0.30
其中，δA代表孔径光束的波动——在穿过所述透镜(L1、L2、L3、L4、L5)的表面(F2、F3、F4、F5、F6)时对于17.55mm的入射光瞳(EP)直径的穿透高度，δB代表主光束的波动——在穿过所述透镜(L1、L2、L3、L4、L5)的表面(F2、F3、F4、F5、F6)时对于w＝3.23度的输入角的穿透高度。
2.根据权利要求1所述的镜筒透镜单元，包括一具有两个透镜(L4、L5)的粘结透镜单元，该粘结透镜单元从无穷大空间出发通过具有负的折射力的弯月形透镜(L4)和具有正的折射力的双凸透镜(L5)表征。
3.根据权利要求1所述的镜筒透镜单元，包括一双凸透镜(L1)和一粘结透镜单元，该双凸透镜从无穷大的空间出发布置并且具有正的折射力，该粘结透镜单元包括具有负的折射力的弯月形透镜(L2)和具有正的折射力的弯月形透镜(L3)，其中，弯月形透镜(L2、L3)的所有面(F4、F5、F6)的曲率半径位于成像侧。
4.根据权利要求1和2所述的镜筒透镜单元，在入射光瞳(EP)在第一面(F1)上、17.55mm的入射光瞳(EP)直径、无穷远的物面位置、195.03mm的焦距(f')和22的视区域数的情况下，其特征在于以下功能数据：
其中，r是以mm为单位的半径，d是以mm为单位的透镜的厚度或者是气隙，ne是折射率，ve是阿贝数。
5.根据权利要求1和3所述的镜筒透镜单元，在入射光瞳(EP)在第一面(F1)上、17.55mm的入射光瞳(EP)直径、无穷远的物面位置、195.02mm的焦距(f')和22的视区域数的情况下，其特征在于以下功能数据：
其中，r是以mm为单位的半径，d是以mm为单位的透镜(L1、L2、L3)的厚度或者是气隙，ne是折射率，ve是阿贝数。
6.根据权利要求1和3所述的镜筒透镜单元，在入射光瞳(EP)在第一面(F1)上、17.55mm的入射光瞳(EP)直径、无穷远的物面位置、195.00mm的焦距(f')和22的视区域数的情况下，其特征在于以下功能数据：
其中，r是以mm为单位的半径，d是以mm为单位的透镜(L1、L2、L3)的厚度或者是气隙，ne是折射率，ve是阿贝数。
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