CN107422467A

CN107422467A - 一种微型显微物镜

Info

Publication number: CN107422467A
Application number: CN201710639034.9A
Authority: CN
Inventors: 付玲; 刘谦; 郑刚
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: As the micro medical technology (Wuhan) Co., Ltd.
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本发明涉及一种微型显微物镜，其外径为6mm，且沿其光轴方向从物端到像端依次包括第一至第五透镜，且第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜满足下列条件式：R1F＞0，R1R＜0；R2F＞R2R＞0；R3F＞0，R3R＜0；R4F＞0，R4R＜0；R5R＞R5F＞0，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜和第三透镜为双胶合透镜，所述第二像端表面和第三物端表面贴合，所述第三透镜和第四透镜为双凸透镜。该微型显微物镜可与光纤束粘合形成的光纤内窥探头配合使用，用于活体小动物的成像实验，且能满足实验时的各种光学性能。

Description

一种微型显微物镜

技术领域

本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种微型显微物镜。

背景技术

在给活体小动物做实验的过程中，需要用到成像实验，因此需要微型显微物镜和光纤束粘合形成的光纤内窥探头配合使用。因此微型显微物镜的外径必须达到一定标准，且要满足实验时的光学性能。如此为了满足与光纤束粘合形成的光纤内窥探头配合使用的成像要求，构成物镜的镜片结构需要进行改变。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，提供了一种能与光纤内窥探头配合使用的、且能满足光学性能的微型显微物镜。

本发明采用的技术方案：一种微型显微物镜，其外径为6mm，且沿其光轴方向从物端到像端依次包括：具有正屈亮度的第一透镜、具有负屈亮度的第二透镜、具有正屈亮度的第三透镜、具有正屈亮度的第四透镜、具有正屈亮度的第五透镜、以及一成像面，光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜后，最后成像于所述成像面上，所述第一透镜包括第一物端表面及第一像端表面，所述第二透镜包括第二物端表面及第二像端表面；所述第三透镜包括第三物端表面及第三像端表面，所述第二像端表面与第三物端表面紧贴重合，所述第四透镜包括第四物端表面及第四像端表面，所述第五透镜包括第五物端表面及第五像端表面，且所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜满足下列条件式：R1F＞0，R1R＜0；R2F＞R2R＞0；R3F＞0，R3R＜0；R4F＞0，R4R＜0；R5R＞R5F＞0，其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面的曲率半径；R2F为所述第二透镜的第二物端表面的曲率半径；R2R为所述第二透镜的第二像端表面的曲率半径；R3F为所述第三透镜的第三物端表面的曲率半径；R3R为所述第三透镜的第三像端表面的曲率半径；R4F为所述第四透镜的第四物端表面的曲率半径；R4R为所述第四透镜的第四像端表面的曲率半径；R5F为所述第五透镜的第五物端表面的曲率半径；R5R为所述第五透镜的第五像端表面的曲率半径，所述第一透镜为平凸透镜，所述第一物端表面为平面，所述第二透镜和第三透镜为双胶合透镜，所述第二像端表面和第三物端表面贴合，所述第三透镜和第四透镜均为双凸透镜。

本发明的效果是：该微型显微物镜可与光纤束粘合形成的光纤内窥探头配合使用，用于活体小动物的成像实验，且能满足实验时的各种光学性能。

附图说明

图1为本发明提供的微型显微物镜的光路结构示意图。

图2为图1的像方点列图。

图3为图1在像方径向四个视场处的光程差曲线。

图4为图1的像方场曲曲线和畸变曲线。

图5为图1的MTF曲线和色差焦移曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种微型显微物镜。该微型显微物镜的外径为6mm，且其物方数值孔径为0.8，像方数值孔径为0.3，微型显微物镜的放大倍数为2.33，此时根据光纤束的通光孔径可计算出该微型显微物镜的有效视场为270μm。

该微型显微物镜沿其光轴方向从物端到像端依次包括：一个物面、一个具有正屈亮度的所述第一透镜10、一个具有负屈亮度的第二透镜20、一个具有正屈亮度的第三透镜30、一个具有正屈亮度的第四透镜40、一个具有正屈亮度的第五透镜50、以及一成像面60。取像时，光线是先经过物面、所述第一透镜、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50，最后在成像面60上成像。

该物面设定为非球面，材料设定为SEAWATER，符合水浸环境的要求，最终的曲面弧矢高度为5.98μm，小于荧光共聚焦内窥镜的轴向分辨率。

第一透镜10为平凸透镜，方便与组织直接接触，由于尺寸变小，选用的材料为H-ZLAF68B。第一透镜10包括一个第一物端表面S11及一个第一像端表面S12。

第二透镜20和第三透镜30为双胶合透镜，选用的材料分别是H-ZF62和H-LAK52。第二透镜20包括一个第二物端表面S21及一个第二像端表面S22；第三透镜30包括一个第三物端表面S31及一个第三像端表面S32，第二像端表面S22与第三物端表面S31紧贴重合，第三透镜30为双凸透镜。

第四透镜40为凸透镜，且其材料为H-LAK52。第四透镜40包括一个第四物端表面S41及一个第四像端表面S42。

第五透镜50为凸透镜，选用的材料为H-LAK53A。第五透镜50包括一个第五物端表面S51及一个第五像端表面S52。

第一物端表面S11为竖直平面。第一像端表面S12、第二物端表面S21、第三物端表面S31、第三像端表面S32、第四物端表面S41、第四像端表面S42和第五物端表面S51均为凸面。第二像端表面S22和第五像端表面S52均为凹面。

即该微型显微物镜满足下列条件式：

(1)R1F＞0，R1R＜0；

(2)R2F＞R2R＞0；

(3)R3F＞0，R3R＜0；

(4)R4F＞0，R4R＜0；

(5)R5R＞R5F＞0。

其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面S11的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面S12的曲率半径；R2F为第二透镜20的第二物端表面S21的曲率半径；R2R为第二透镜20的第二像端表面S22的曲率半径；R3F为第三透镜30的第三物端表面S31的曲率半径；R3R为第三透镜30的第三像端表面S32的曲率半径；R4F为第四透镜40的第四物端表面S41的曲率半径；R4R为第四透镜40的第四像端表面S42的曲率半径；R5F为第五透镜50的第五物端表面S51的曲率半径；R5R为第五透镜50的第五像端表面S52的曲率半径。

该外径为6mm的微型显微物镜的具体参数见表1，如下：

外径6mm微型物镜具体参数

表1

图2为来自物方四个不同位置视场的光束会聚在像面的弥散斑示意图，其中黑色圆圈代表艾利斑。图中给出了像方轴上、0.5视场、0.707视场和全视场四个不同位置的弥散斑形态及均方根尺寸。弥散斑分布情况是根据几何光学计算得到的，从光线分布情况可直观光束在像面的会聚情况，而各个视场的弥散斑均方根半径是对这一情况的数据分析结果。各个视场的弥散斑均方根尺寸接近艾利斑尺寸，可认为是近似衍射极限。各个视场的弥散斑均方根尺寸均小于3μm，即小于光纤束单根光纤的直径，满足该微型显微物镜的要求。

图3是该微型显微物镜在像方径向四个视场处的波前光程差曲线。每个视场两张图分别代表子午面和弧矢面，横坐标为归一化后的入瞳坐标。理想状态下，光程差曲线应该与横轴重合，由于像差的存在，导致光程差曲线呈现了不同的形态。一般来说，光程差小于半个波长时可认为该光学系统是衍射极限的，从图3可知轴上视场、0.5视场和0.707视场均满足这一条件，但全视场中有一条光程差曲线在光瞳边缘大于半个波长，为0.7λ，说明该微型物镜达到近似衍射极限性能。

图4为该微型显微物镜的像方场曲曲线和畸变曲线，从图中可分析该设计存在的三种像差：场曲、像散、和畸变。场曲即像场弯曲，整个视场焦点不在一个平面上，而光纤束端面为平面，场曲太大会导致不能同时看清整个像面。像散指子午面和弧矢面不能同时聚焦在一个位置，会使光束会聚在像面时弥散斑过大，导致图像模糊。畸变是由视场从中心到边缘放大倍数的不同造成的，畸变过大则图像失真。左图为场曲示意图，S代表子午面，T代表弧矢面，其中纵轴为归一化后的视场位置，横轴为各个视场的实际像面与近轴焦面的轴向距离，三种颜色曲线对应三种波长。三种波长情况下，像方场曲最大为3μm，像散最大为1μm，换算到物方分别为0.75μm和0.25μm，远小于荧光共聚焦内窥镜的纵向分辨率，说明该微型物镜场曲和像散得到了有效的校正。右图为畸变示意图，纵轴为归一化后的视场位置，横轴为各个视场畸变经计算后对应的百分比，其计算公式如下：

其中y_chief为实际主光轴光线对应的像面位置高度，y_ref为参考光线高度，而参考光线高度是光学设计软件计算得到的近轴像高。图中畸变最大处在视场边缘，畸变小于0.1％，而人眼一般情况下不能分辨小于2％的畸变。图4的场曲和畸变示意图说明该设计很好地校正了场曲、像散和畸变。

图5为该微型显微物镜的MTF曲线和色差焦移曲线。左图为像面沿径向的四个不同视场子午面和弧矢面的MTF曲线计算结果，图中给予了衍射极限情况下的MTF曲线进行对比，截止频率设定为设计要求的167lp/mm。MTF曲线可从数据上直观全面地判断设计的优劣。从图上可以看出各个视场的MTF曲线比较接近，且在167lp/mm处均大于0.65，极大地满足了MTF值在167lp/mm处大于0.5的设计指标。右图为色差焦移曲线，纵轴对应设计波长488-550nm，横轴为每个波长对应的实际焦面与参考波长焦面的轴向距离，其中参考波长为530nm。焦面位移最大值为8.258μm，略大于衍射极限的焦面位移最大值5.868μm，换算到物面，物方焦距位移最大为1.548μm，小于荧光共聚焦内窥镜的纵向分辨率，因此该设计的剩余色差不会对成像带来影响，即色差也得到了很好地校正。

如此，该微型显微物镜可与光纤束粘合形成的光纤内窥探头配合使用，用于活体小动物的成像实验，且能满足实验时的各种光学性能。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微型显微物镜，其特征在于：其外径为6mm，且沿其光轴方向从物端到像端依次包括：具有正屈亮度的第一透镜、具有负屈亮度的第二透镜、具有正屈亮度的第三透镜、具有正屈亮度的第四透镜、具有正屈亮度的第五透镜、以及一成像面，光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜后，最后成像于所述成像面上，所述第一透镜包括第一物端表面及第一像端表面，所述第二透镜包括第二物端表面及第二像端表面；所述第三透镜包括第三物端表面及第三像端表面，所述第二像端表面与第三物端表面紧贴重合，所述第四透镜包括第四物端表面及第四像端表面，所述第五透镜包括第五物端表面及第五像端表面，且所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜满足下列条件式：R1F＞0，R1R＜0；R2F＞R2R＞0；R3F＞0，R3R＜0；R4F＞0，R4R＜0；R5R＞R5F＞0，其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面的曲率半径；R2F为所述第二透镜的第二物端表面的曲率半径；R2R为所述第二透镜的第二像端表面的曲率半径；R3F为所述第三透镜的第三物端表面的曲率半径；R3R为所述第三透镜的第三像端表面的曲率半径；R4F为所述第四透镜的第四物端表面的曲率半径；R4R为所述第四透镜的第四像端表面的曲率半径；R5F为所述第五透镜的第五物端表面的曲率半径；R5R为所述第五透镜的第五像端表面的曲率半径，所述第一透镜为平凸透镜，所述第一物端表面为平面，所述第二透镜和第三透镜为双胶合透镜，所述第二像端表面和第三物端表面贴合，所述第三透镜和第四透镜均为双凸透镜。

2.如权利要求1所述的一种微型显微物镜，其特征在于：还包括一物面，所述物面位于所述第一透镜的物侧，所述物面为非球面，材料为SEAWATER。

3.如权利要求1所述的一种微型显微物镜，其特征在于：所述第一透镜的材料为玻璃H-ZLAF68B，所述第二透镜的材料为H-ZF62，所述第三透镜和第四透镜的材料均为H-LAK52，所述第五透镜的材料为H-LAK53A。

4.如权利要求1所述的一种微型显微物镜，其特征在于：R1F为无穷大，R1R＝-1.566，R2F＝320.343，R2R＝4.400，R3F＝4.400，R3R＝-4.600，R4F＝10.400，R4R＝-19.40，R5F＝4.505，R5R＝36.950。

5.如权利要求1所述的一种微型显微物镜，其特征在于：所述微型显微物镜的物方数值孔径为0.8，像方数值孔径为0.3。

6.如权利要求5所述的一种微型显微物镜，其特征在于：所述微型显微物镜的放大倍数为2.33。

7.如权利要求6所述的一种微型显微物镜，其特征在于：所述微型显微物镜的有效视场为270μm。