CN105629452A - 自动校正像差的变焦显微物镜 - Google Patents

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李磊
王琼华
刘超
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Abstract

本发明提出一种自动校正像差的变焦显微物镜。该显微物镜包括固体玻璃透镜I、液体透镜组、固体玻璃透镜II、工装外框I、工装外框II、工装外框Ш和液体透镜组驱动装置。与常规显微物镜相比，该显微物镜可以实现物镜放大倍率连续可调并自动校正像差。

Description

自动校正像差的变焦显微物镜
技术领域
本发明涉及一种显微物镜，更具体地说，本发明涉及一种自动校正像差的变焦显微物镜。
背景技术
显微镜是一种应用范围非常广泛的光学仪器，它在科研、教学、医疗、工业生产等诸多领域都发挥着重要的作用。显微镜最核心的部件就是物镜，物镜它将微小物体进行光学放大成像，最后通过目镜或者CCD相机获取清晰放大的图像。传统的显微物镜均由多片固体玻璃透镜组成，每一个物镜都只有一个放大倍率。通常商业化的显微物镜只有几个离散的放大倍率，如5×、10×、20×、40×、60×、100×等。因此，这些透镜的放大倍率是离散的，无法覆盖所有的放大倍率范围，同时当需要改变放大倍率时，必须更换显微物镜，这给实际使用带来极大的不便。美国专利“Microscopezoomobjectivelens”（专利号：U.S.patent6674582B2）提出了一种通过机械移动改变焦距的变焦物镜。虽然该物镜具有一定范围的连续变焦能力，但是成像质量会因焦距的改变呈退化趋势，无法得到校正。
随着科学技术的发展，以液体透镜、液晶透镜为代表的自适应透镜逐渐发展并成为一类新兴的光学器件，具有巨大的应用前景。液体透镜可以通过改变自身的曲率实现焦距的改变，因此该技术也被广泛应用到成像领域，其中也包括显微镜领域。例如，专利“液体透镜自动变焦显微镜”（专利号：2012101334049）和专利“一种显微镜自动调焦方法”（专利号：2013104833522）提出了利用液体透镜的自动变焦特点来实现显微镜的对焦功能的装置，解决了传统显微镜对焦速度慢的问题，但是目前的显微镜仍无法实现变焦物镜的自动校正像差功能。
发明内容
本发明提出一种自动校正像差的变焦显微物镜。如附图1所示，该显微物镜包括固体透镜I、液体透镜组、固体透镜II、工装外框I、工装外框II、工装外框Ш和液体透镜组驱动装置。固体透镜I和II分别位于液体透镜组的两端，用于承担部分光焦度并获取视场，而液体透镜组用于系统变焦和像差校正。在液体透镜组中，1个液体透镜的曲率变化在保证成像面固定的情况下仅仅具有对焦功能。2个液体透镜的曲率变化可以在保证成像面固定的情况下改变焦距；而3个以上的液体透镜才具有多余的可变曲率自由度，在保证变焦的同时进行像差校正。在本发明中液体透镜组中液体透镜元件的数量不少于3个，以获得变焦和校正像差的能力。
本发明中固体透镜I和固体透镜II获取固定的光焦度，液体透镜组通过优化每一个液体透镜的曲率实现焦距的变化并校正像差。本发明的光焦度由两部分组成：固体透镜的光焦度Φf和液体透镜组Φl（以3个液体透镜为例）的光焦度，整个光焦度由下面公式给出：
（1）
其中Φf是固定的，Φl可以由液体透镜组的曲率变化控制调节。Φf由以下公式决定：
（2）
（3）
（4）
（5）
r1,r2,r3分别是3个液体透镜的曲率半径，而n1，n2分别是液体透镜中硅油和导电液体的折射率。由于系统的像差S也是r1,r2,r3的函数：
（6）
因此，可以对公式（2）至公式（6）进行联立求解或者优化，便可以获得既改变了放大率又优化了像质的液体透镜的最优曲率半径值。
附图2为本发明的显微物镜在初始状态的成像原理示意图。在没有驱动的初始状态（Off态）时，液体透镜组的每一个透镜都以初始曲率工作，这时本发明获得最初始的放大率，也是本发明最小的放大率Mmin。附图3为本发明的显微物镜在驱动状态（On态）时的成像原理示意图。当对液体透镜组的每一个液体透镜外加优化设计的电压、机械力等激励时，每个液体透镜产生新的曲率，这些曲率是经过优化设计的曲率，因此整个系统获得新的放大率Mv，同时保证获得良好的像质，即，最小的像差。放大率Mv是一个可调的放大率，经过优化设计给液体透镜组外加合适的激励，放大率Mv可以在最小放大率Mmin和最大放大率Mmax之间连续变化并自动校正像差，这是传统的显微物镜甚至机械变焦显微镜无法做到的。
优选地，固体透镜I和II的材料是玻璃、塑料或者高分子聚合物等透明固体材料。
优选地，变焦液体透镜组的液体透镜数量不少于3个。
优选地，液体透镜的驱动方式是电湿润驱动或者机械力驱动。
优选地，液体透镜的口径d1≥3mm且d1≤10mm。
附图说明
附图1为本发明放大倍率连续可调的显微物镜的结构图。
附图2为本发明的显微物镜在初始状态时的成像原理示意图。
附图3为本发明的显微物镜在驱动状态时的成像原理示意图。
附图4为实施例中使用3个液体透镜的显微物镜结构。
附图5为实施例中变焦成像效果。
上述各附图中的图示标号为：1固体透镜I，2液体透镜组，3固体透镜II，4工装外框I，5工装外框II，6工装外框Ш，7液体透镜组驱动装置，8光轴，9目标物，10像，11入射光束I，12入射光束II，13液体透镜I，14液体透镜II，15液体透镜Ш。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种放大倍率连续可调的显微物镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：如附图4所示，本实施例中采用3个电湿润液体透镜作为液体透镜组，每个电湿润液体透镜的有效口径为3.9mm。组成液体透镜的填充液体为无色透明硅油和NaCl溶液。NaCl溶液的折射率为1.33，阿贝数为55.8，而无色透明硅油的折射率为1.65，阿贝数为62.8。在20-70V驱动电压下，其变焦范围为（-∞，-66mm）∪（32mm，+∞）。
本实施例采用的工作波段为456nm-656nm。对本发明中的3个液体透镜分别施加3个优化好的电压，从而驱动3个液体透镜的液-液交界面发生曲率的改变，实现液体透镜组的焦距变化，也即放大率改变。附图5给出了本发明对手机显示屏像素进行显微成像的效果。左上子图是初始状态的放大率，为7.8×。改变3个液体透镜的驱动电压时，其放大率发生了变化。附图5的另外3个子图分别给出了在放大率连续变化过程的3个离散值，其最大放大率可以达到13.2×。从图中可以看出，本发明不仅实现了放大率的变化，同时保证了成像质量均未退化，这也说明本发明可以实现在变焦的过程中自动校正像差的功能。

Claims (4)

1.一种自动校正像差的变焦显微物镜，包括：固体透镜I、液体透镜组、固体透镜II、工装外框I、工装外框II、工装外框Ш和液体透镜组驱动装置，其特征在于，固体透镜I和II分别位于液体透镜组的两端，用于承担部分光焦度并获取视场，而液体透镜组用于系统变焦和像差校正。
2.根据权利要求1所述的一种自动校正像差的变焦显微物镜，其特征在于，液体透镜组包含3个及以上的液体透镜。
3.根据权利要求1所述的一种自动校正像差的变焦显微物镜，其特征在于，固体透镜I和II的材料是玻璃、塑料或者高分子聚合物等透明固体材料。
4.根据权利要求1所述的一种自动校正像差的变焦显微物镜，其特征在于，液体透镜组的驱动模式为电湿润驱动或者机械力驱动。
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