CN107664832A

CN107664832A - 远心光学单元和数码变焦显微镜

Info

Publication number: CN107664832A
Application number: CN201710502084.2A
Authority: CN
Inventors: 约翰内斯·温特罗特
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: CN107664832B; DE102016213784A1

Abstract

本发明涉及一种远心光学单元，包括具有正屈光力的第一透镜组(LG1)、具有负屈光力的第二透镜组(LG2)和具有正屈光力的第三透镜组(LG3)。根据本发明，为了调节可变倍率，第一透镜组(LG1)和第三透镜组(LG3)通过一个共同的驱动装置沿着光学单元的光学轴01同步移动，同时，第二透镜组(LG2)在相反的方向移动。

Description

远心光学单元和数码变焦显微镜

技术领域

本发明涉及一种可变倍率的远心光学单元(尤其是用于数字变焦显微镜的)和一种数字变焦显微镜。

背景技术

现已有采用最新技术的各类变焦镜头和变焦显微镜，包括物方和/或像方远心。

DE 10 2013 006 999 A1举例描述了一种用于数字入射光或透射光显微镜的模块化远心变焦镜头，其中光路的光圈可变。

在数字显微镜中，只有当数字图像中的像点(像素)足够密集时，才能达到光学分辨率。可以想象有两个分离且相邻的亮点，如果要在数字图像中显示为分离的亮点，则简单的来说必须在这两个亮点之间有一个较暗的像素存在：这样就有三个间距最小的像素，两个亮点和一个中间的暗点。事实上，奈奎斯特准则规定最小光学间距至少需要2.3个像素。例如，如果达到的光学分辨率为230nm，则像素大小应为100nm。

奈奎斯特准则适用于焦面(x，y)和光轴沿线(z方向)。此外，还有数字化类型，例如在扫描模式使用CCD摄像头或光电倍增管。

发明内容

本发明旨在提供一种特别简单和制造成本低的远心光学单元和配置这种光学单元的数字变焦显微镜。

符合权利要求1所述特征的光学单元以及符合权利要求12所述特征的变焦显微镜实现了该目的。

根据本发明的光学单元从物方平面到像方平面的方向上包括：具有正屈光力的第一透镜组，具有负屈光力的第二透镜组，具有正屈光力的第三透镜组以及任选正或负屈光力的第四透镜组。为了调节物方平面图像的可变倍率，第一和第三透镜组应通过一个共同的驱动装置沿着光学单元的光学轴同步移动，同时，第二透镜组在相反方向移动。例如可在直接驱动和鼓型曲线上实现此类移动。如果两个滑块的驱动通过皮带在固定辊上运行，则可通过类似(WO 07/079882 A1)的连接部件实现移动的连接。

根据本发明的变焦显微镜，包括上述光学单元，以及用于样本成像的像方平面所装的数字图像传感器。图像传感器必须满足奈奎斯特准则，即有利地和光学单元的光学分辨率相适应(每最小光学显示距离2.3像素)，或光学单元和图像传感器相互协调，使整个放大率范围都能满足奈奎斯特准则。光圈位于本身和物体之间，适用子系统后方焦点附近的所有变焦位置。从而使远心在整个变焦范围内保持不变。

有利的设计变型请参见从属权利要求的规定。

为了能同样良好的满足奈奎斯特准则，所有变焦设置的像侧孔径和光学分辨率在放大系数变化不超过10倍的情况下相等或近似相等。移动透镜组的同步移动能在固定图像位置时实现更简单和紧凑的结构。

在一优选实施例中，第二透镜组机械连接至所述驱动，但在可替代的实施例中也可以使用一个单独的驱动。

机械耦合优选通过变速器实现。

在另一有利的实施例中，第一至第三透镜组的移动可参见移动列表中的定义。移动列表中的数据优先作为软件被集成在一个控制算法中。

附图说明

以下将结合附图对本发明的一个优选实施例进行详细说明。其中：

图1：具有不同放大倍率设定的光学单元示意图；

图2：透镜组的移动曲线图；

图3：光学单元局部放大示意图；

图4：光学单元尺寸示意图；

图5：在变焦范围的光圈位置示意图；

图6：标准化远心误差示意图；

图7：根据所述放大率的像侧孔径示意图；

图8：用于移动光学单元透镜组的驱动装置示意图；

图9：凸轮的一个有利设计变型，用于图4所示的驱动装置；

图10：轧辊的轴向位移示意图，用于图4所示驱动装置的优选实施例。

附图标记列表如下：

01、样本平面；02、图像平面；03、光学轴；04传动皮带；05、-；06、第一辊轮；07、偏心辊；08、帧；09、偏心盘；10、止块；11、第一滑块；12、第二滑块；13、旋转点；14、中心线。

具体实施方式

图1为根据本发明优选实施例的带光路光学单元示意图和不同的变焦设置。

根据本发明的光学单元和四组透镜组LG1、LG2、LG3和LG4沿着光轴03安装在样本平面01和像方平面02之间。第一、第三和第四透镜组LG1、LG3和LG4具有正屈光力。第二透镜组LG2具有负屈光力。

从不同放大倍率的图示中可以看出，透镜组LG1和L3沿着光轴03可以在同一方向同步移动，而透镜组LG2在相反方向上移动。所述移动的速度至少大致相等。

所示实施例的在安装长度为292.8mm条件下的变焦比为10x 0.5至10x 5。

下表对优选实施例进行了详细说明。其中规定了透镜的各个半径(RADIUS)与到上述元件的间距(DIS)、折射率(BRE)、阿贝数(ve)、焦距(f')以及透镜组的焦距和直径(d)。下表中的间距a1至a5如图所示并可以根据变焦设置而变化。

在本实施例中，定义间距a1至a4的放大倍率的移动列表如下：

在图2中，移动列表以示意图的方式显示。样本平面01形成原点。LG1和LG3的同步移动以及LG2的相对移动都清晰可见。

对于物方远心成像，光圈位置必须与子系统的后方焦点重合。通过透镜组LG3选择轴束极限可以使变焦宽部良好的接近这种情况。

所示优选实施例专为对角为5mm的图像传感器设计。选择LG3作为光圈有积极的效果，图像上只有很小的尺寸变化。因此，从0.03至0.04的像侧孔径几乎恒定，而且在像素间距<4μm的情况下，图像传感器的像侧理论可视分辨率可达到90-120LP/mm(线对每毫米)。

图3和图4为根据本发明的优选实施例的光学单元的一般尺寸规定。光学单元的总放大倍率由与各透镜组的作用相关联的四个局部放大倍率组成：

β_总和＝β₁*β₂*β₃*β₄，

其中的数字指透镜组的号码。

局部放大倍率β₁、β₂、β₃和β₄是耦合移动的功能。

β₄是恒定的，不受移动影响，但可通过选择LG4的焦距和相邻的间距在0.2<β₄<5之间变动。

可移动透镜组LG1、LG2和LG3形成系统核心，从物体到第三透镜组LG3后的焦点s'_LG3所测得的恒定间距为a_OF3。

实验证明，如果LG1至LG3(a2+a3)的间距只有从物体到LG3后焦点间距a_OF3的1/3，则表明该系统具有有利的特性(图4)。

因此，可以理解为允许一定的偏差，从而使系统正好达到所需的性能。

单焦距用(a2+a3)测量。

LG1在最高放大倍率到最低放大倍率位置的移动Δa₁：

在符合该条件的情况下，透镜组不会发生相互碰撞，LG1后的焦点f1'和LG3前的焦点之间的间距为4x和5x f2'。

所有部分放大倍率都严格控制在-0.5至-1.5之间。轴a描述关系a＝p*Δa1的移动范围位置。参数p的范围为0≤p≤1。

LG1到物体的距离最小时β₂<β₁<β₃，距离最大时关系则更改为β₃<β₁<β₂。

图5为作为光圈的透镜组3边框和物体和边缘之间子系统后方焦点的距离，及其与放大率β的关系。

根据曲线可以看出，在零交叉的位置，入射光瞳在无穷远处，并具有严格的远心性。

图中急剧上升的曲线在实践中往往通过更换透镜组LG2的边框来避免，在这种放大率范围内显示为光圈。

远心的剩余误差取决于两个目标点之间横向距离的差，这也同时存在于像方平面上，即在传感器上作为尖锐物识别，不可被分配到不同的物距。

传感器的评估可采用摄像头像素或不变的分辨率标准进行。

图6显示不变的系统分辨率标准。

Tl是景深＝两个点同时清晰可见的轴向距离。

Tq是系统的横向分辨率。

Δy定义标准的远心误差作为物体两点的横向间距和同时可见的轴向间距Tl，基于系统的横向分辨率。

Δy适合应用性评估远心误差。

不同放大倍率的像侧孔径变化意味着分离相邻的点需要不同数量的像素。图5中曲线的有利特性和高放大倍率下降取决于两个函数的重叠。如果通过图像高度除以图像比例得出物体高度，并除以光圈物方图像的截距，则出现曲线y/sEP。该主光束与函数T1/Tq相乘，近似比为1/β。

图7显示根据放大率的像侧孔径。

图8显示相对移动透镜组驱动的可能实施例示意图。

为了使透镜组的移动符合图2移动图表，需使用一个驱动带04作为环形带与第一辊轮06和一个偏心辊07在力和/或形状上配合。第一辊轮06在帧08中可旋转。偏心辊07与偏心盘09连接，也可旋转的安装在帧08内。在驱动带04的相对侧为第一滑块11和第二滑块12。透镜组LG1和LG3与第一滑块驱动连接，同时，透镜组LG2与第二滑块12驱动连接。

帧08在未显示的壳体内沿着第一辊轮06和偏心辊07的中心轴移动，并通过一个弹簧力(未显示)按压在同样固定在壳体内的止块10上。通过第一辊轮06的旋转运动，帧08在壳体内转动，并通过偏心盘09的轮廓凸显。

通过辊轮06和07的旋转运动实现两个滑块11和12的反转。

偏心盘09具有一个与运动曲线相应的尺寸轮廓(参见图9)。在非显示区域，偏心盘09的旋转运动可通过固定止块10的相应设计来限制。该限制也可用于驱动侧。

偏心盘06的特性以及旋转点13沿着中心线14的移动如图10所示。

该结构可以更改，例如移除第一辊轮06并通过一个弹簧力用辊轮06在皮带接触点的方向拉动滑块11和旋转点13之间的连接点。导向辊与驱动辊之间的恒定距离确保了皮带两侧的恒定张力。在这种情况下涉及到一个环形带。

当然，本发明不仅仅局限于举例和图示中的优选实施例，包括光学数据和运动驱动的机械设计方面。专业人员可根据应用调整技术设计。

Claims

1.远心光学单元，包括：

具有正屈光力的第一透镜组(LG1)；

具有负屈光力的第二透镜组(LG2)；

具有正屈光力的第三透镜组(LG3)；

其特征在于，为了调节可变倍率，第一透镜组(LG1)和第三透镜组(LG3)通过一个共同的驱动装置沿着光学单元的光学轴01同步移动，同时，第二透镜组(LG2)在相反的方向移动。

2.根据权利要求1的光学单元，其特征在于，通过第三透镜组(LG3)的边缘形成光圈。

3.根据权利要求1或2的光学单元，其特征在于，第二透镜组(LG2)与驱动机械连接。

4.根据权利要求3的光学单元，其特征在于，机械耦合通过变速器实现。

5.根据权利要求1至4的光学单元，其特征在于，移动列表定义第一至第三透镜组的移动。

6.根据权利要求5的光学单元，其特征在于，其包括一个用于驱动的控制装置，其中移动列表作为控制算法使用。

7.根据权利要求1至6的光学单元，其特征在于，从一个物方平面(01)至第三透视镜组(LG3)后的一个焦点测量所得的焦距a_OF3是恒定的，且第一透镜组(LG1)至第三透镜组(LG3)之间的间距(a2+a3)约为a_OF3的三分之一。

8.根据权利要求1至7的光学单元，其特征在于，第一透镜组(LG1)至第三透镜组(LG3)之间的间距(a2+a3)与第一透镜组(LG1)的移动范围Δa₁之间的比约为3.3。

9.根据权利要求1至8的光学单元，其特征在于，透镜组(LG1、LG2、LG3)的部分放大倍率β₁、β₂、β₃通过第一透镜组(LG1)的一个移动范围Δa₁严格控制。

10.根据权利要求1至9的光学单元，其特征在于，其具有一个正或负屈光力的第四透镜组(LG4)。

11.根据权利要求10的光学单元，其特征在于，第四透镜组(LG4)的部分放大倍率β₄的值在0.2至5之间。

12.变焦显微镜，其特征在于，其包括一个根据权利要求1至10的光学单元和一个用于成像的数字图像传感器，该传感器安装在光学单元的图像平面(02)。

13.根据权利要求12的变焦显微镜，其特征在于，图像传感器的像素间距小于4μm。

14.根据权利要求12的变焦显微镜，其特征在于，像侧孔径满足条件nA'max/nA'min<1.4。