CN107765416B - 一种显微镜物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种显微镜物镜，从物方开始包括依次设置的整体上具有正折射光焦度的第一透镜组和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组，第一透镜组由从物方开始依次设置的第一双胶合透镜组、第三单透镜、第四单透镜、第二双胶合透镜组、第三双胶合透镜组和第一三胶合透镜组组成；第二透镜组由由从物方开始依次设置的第二三胶合透镜组和第十五单透镜组成，通过将第三单透镜和第四单透镜中的至少一个设置为正弯月透镜，可以在显微镜物镜的放大倍率为‑100x，像方线视场为25mm的情况下，数值孔径做到1.5左右；在提高成像质量的同时，降低了所有镜片的公差敏感度，提高物镜合格率；并且去除了组合透镜中的衍射元件，降低了加工难度和加工成本。

Description

一种显微镜物镜
技术领域
本发明涉及一种光学透镜，尤其是涉及一种显微镜物镜。
背景技术
目前显微镜是人类探索微观世界的最普遍的工具，而显微镜物镜是构成显微镜的最为重要的光学器件之一。在生物医疗领域为了更直接的观察微小的生物及其组织结构，需要采用高倍率、大数值孔径、平场、复消色差的显微镜物镜。一般的显微镜物镜以空气为介质，最大的数值孔径理论上只能做到接近1，所以为了提高分辨率增加数值孔径，需要把空气介质替换为折射率为1.5左右的液体，这样一般只能将数值孔径做到1.3左右。然而当数值孔径增加时，焦深降低并且色差的校正变得困难，为了解决这个问题，Nikon的高倍物镜中使用了衍射光学元件，这无疑增加了加工的难度并使物镜的成本增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种显微镜物镜，其具有高倍率、大数值孔径、平场、复消色差的优点，将会对生物医疗领域的科研探究带来深远的影响。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种显微镜物镜，从物方开始包括依次设置的整体上具有正折射光焦度的第一透镜组G1和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组G2，所述的第一透镜组G1由从物方开始依次设置的第一双胶合透镜组CL11、第三单透镜L3、第四单透镜L4、第二双胶合透镜组CL12、第三双胶合透镜组CL13和第一三胶合透镜组CL14组成；所述的第二透镜组G2由由从物方开始依次设置的第二三胶合透镜组CL21和第十五单透镜L15组成，所述的第一双胶合透镜组CL11由相互胶合的第一单透镜L1和第二单透镜L2构成，所述的第二双胶合透镜组CL12由相互胶合的第五单透镜L5和第六单透镜L6构成，所述的第三双胶合透镜组CL13由相互胶合的第七单透镜L7和第八单透镜L8构成，所述的第一三胶合透镜组CL14由相互胶合的第九单透镜L9、第十单透镜L10和第十一单透镜L11构成，所述的第二三胶合透镜组CL21由相互胶合的第十二单透镜L12、第十三单透镜L13和第十四单透镜L14构成，所述的第一单透镜为正透镜，所述的第一单透镜靠近物方的透镜表面是平面或者凹形表面，所述的第三单透镜L3和所述的第四单透镜L4中的至少一个为正弯月透镜，所述第十四单透镜L14设置有面对图像的凹形表面，所述的第十五单透镜L15设置有面对物体的凹形表面。
所述的第三单透镜L3和所述的第四单透镜L4最好均为正弯月透镜。
所述的显微镜物镜满足以下条件：
0.5≤|f1/fobj|≤10
其中fobj表示所述显微镜物镜的焦距，f1表示所述第一透镜组的焦距，
定义透镜表面的光焦度为Φ
Φ＝(n′－n)/r
其中光焦度的单位为屈光度，r表示该透镜表面的曲率半径，n表示空气的折射率；n’表示该透镜在波长为587.56nm时的折射率，则所述第十四单透镜L14面对图像的凹形表面和所述的第十五单透镜L15面对物体的凹形表面满足以下条件：
0<|Φ2-1-Φ2-2|<1
其中Φ2-1表示所述第十四单透镜L14面对图像的凹形表面的光焦度，Φ2-2表示所述第十五单透镜L15面对物体的凹形表面的光焦度。
所述的第十四单透镜和所述的第十五单透镜都满足以下条件：
1.55<nd<1.95
30<Vd<76
其中nd表示波长为587.56nm时的折射率，Vd表示波长为587.56nm时的阿贝数。
所述的第十四单透镜远离物方一侧表面的半径值大于1.65mm，所述的第十五单透镜靠近物方一侧表面的半径值大于1.32mm。
所述的第十四透镜和所述的第十五透镜之间沿光轴所在的直线上的空气层间隔为0.1mm至3mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过将第三单透镜L3和第四单透镜L4中的至少一个设置为正弯月透镜，可以在显微镜物镜的放大倍率为-100x，像方线视场为25mm的情况下，数值孔径做到1.5左右；在提高成像质量的同时，降低了所有镜片的公差敏感度，提高物镜合格率；并且去除了组合透镜中的衍射元件，降低了加工难度和加工成本，满足生物医学领域科研探究的需求。
附图说明
图1是本发明实施例1的显微镜物镜的结构示意图；
图2是实施例1中的0视场横向像差图；
图3是实施例1中的1视场横向像差图；
图4是实施例1中的轴向像差图；
图5是实施例1中的场曲畸变图；
图6是本发明实施例2的显微镜物镜的结构示意图；
图7是本发明实施例3的显微镜物镜的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：如图1所示，本实施例的显微镜物镜按照从物体的次序，由整体上具有正折射光焦度的第一透镜组G1和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组G2组成。从物方开始第一透镜组G1由第一双胶合透镜组CL11、第三单透镜L3、第四单透镜L4、第二双胶合透镜组CL12、第三双胶合透镜组CL13和第一三胶合透镜组CL14组成；第二透镜组G2由第二三胶合透镜组CL21和第十五单透镜L15组成；第一双胶合透镜组CL11由相互胶合的第一单透镜L1和第二单透镜L2构成，第二双胶合透镜组CL12由相互胶合的第五单透镜L5和第六单透镜L6构成，第三双胶合透镜组CL13由相互胶合的第七单透镜L7和第八单透镜L8构成，第一三胶合透镜组CL14由相互胶合的第九单透镜L9、第十单透镜L10和第十一单透镜L11构成，第二三胶合透镜组CL21由相互胶合的第十二单透镜L12、第十三单透镜L13和第十四单透镜L14构成，第一单透镜为正透镜，第一透镜靠近物方的透镜表面是平面，第三单透镜L3和第四单透镜L4均为正弯月透镜，第十四单透镜L14为负透镜，设置有面对图像的凹形表面，小球面的曲率中心位于像空间一侧，大球面的曲率中心位于物空间一侧；第十五单透镜L15负透镜，设置有面对物体的凹形表面，小球面的曲率中心位于物空间一侧，大球面的曲率中心位于像空间一侧，第十四单透镜L14、第十五单透镜L15主要用于校正场曲。
其中第一透镜组G1的焦距f1＝6.238mm，显微镜物镜的焦距fobj＝2mm，|f1/fobj|＝3.119；第十四单透镜L14面对图像的凹形表面的光焦度Φ2-1＝0.361屈光度，第十五单透镜L15面对物体的凹形表面的光焦度Φ2-2＝0.3348屈光度，|Φ2-1-Φ2-2|＝0.0262；第十四单透镜和第十五单透镜的nd＝1.816,vd＝46.6；第十四单透镜远离物方一侧表面的半径值为2.2579mm，第十五单透镜靠近物方一侧表面的半径值为2.4368mm；第十四透镜和所述的第十五透镜之间沿光轴所在的直线上的空气层间隔为1.73mm。
各透镜的具体数据如表1所示：其中整个显微镜透镜焦距f＝2；数值孔径NA＝1.48。
表1
图2是实施例1中的0视场像方横向像差图。图中横坐标PY、PX代表入瞳，纵坐标EY、EX代表横向像差，其中Y代表子午方向，X代表弧矢方向，单位μm。四种光线波长分别是：F光(波长486.13nm)，d光(波长587.56nm)，C光(波长656.27nm)，g光(波长435.84nm)，由图2可见像差平衡较好，成像优良。图中横坐标为归一化入瞳；图中最下方说明部分MAXIMUMSCALE：±1000μm代表，纵坐标最大为1000μm，最小为-1000μm。
图3是实施例1中的1视场像方横向像差图。图中横坐标PY、PX代表入瞳，纵坐标EY、EX代表横向像差，其中Y代表子午方向，X代表弧矢方向，单位μm。四种光线波长分别是：F光(波长486.13nm)，d光(波长587.56nm)，C光(波长656.27nm)，g光(波长435.84nm)，由图3可知像差平衡较好，成像优良。图中横坐标为归一化入瞳；图中最下方说明部分MAXIMUMSCALE：±2000μm代表，纵坐标最大为2000μm，最小为-2000μm。
图4是实施例1中的像方轴向像差图。图中纵坐标代表入瞳，横坐标代表纵向像差，单位为mm。四种光线波长分别是：F光(波长486.13nm)，d光(波长587.56nm)，C光(波长656.27nm)，g光(波长435.84nm)，由图4可知F光与C光消色差，d光与g光轴向色差小于λ/NA2，达到复消色差水平。图中纵坐标为归一化入瞳；横坐标代表纵向像差，最大为50mm，最小为-50mm。
图5是实施例1中的像方场曲畸变图。
图5a为场曲图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表场曲，单位为μm。四种光线波长分别是：F光(波长486.13nm)，d光(波长587.56nm)，C光(波长656.27nm)，g光(波长435.84nm)。边缘视场最佳聚焦点与中心视场最佳聚焦点轴向差异小于λ/NA2，理论值满足全视场清晰，达到平场物镜要求。图中纵坐标为归一化视场；横坐标代表场曲，最大为20mm，最小为-20mm。
图5b为畸变图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表畸变(百分比)，四种光线波长分别是：F光(波长486.13nm)，d光(波长587.56nm)，C光(波长656.27nm)，g光(波长435.84nm)，由图5b可知畸变小于1％。图中纵坐标为归一化视场；横坐标代表畸变，最大为1％，最小为-1％。
从图2～图5可以看出，本发明的物镜能够很好的校正球差、彗差、象散、场曲、畸变、放大率色差及轴向色差，达到平场复消色差物镜要求。边缘视场最佳聚焦点与中心视场最佳聚焦点轴向差异小于λ/NA2，F光(波长486.13nm)与C光(波长656.27nm)消色差，d光(波长587.56nm)与g光(波长435.84nm)轴向色差小于λ/NA2。
实施例2：如图6所示，本实施例的显微镜物镜按照从物体的次序，由整体上具有正折射光焦度的第一透镜组G1和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组G2组成。从物方开始第一透镜组G1由第一双胶合透镜组CL11、第三单透镜L3、第四单透镜L4、第二双胶合透镜组CL12、第三双胶合透镜组CL13和第一三胶合透镜组CL14组成；第二透镜组G2由第二三胶合透镜组CL21和第十五单透镜L15组成；第一双胶合透镜组CL11由相互胶合的第一单透镜L1和第二单透镜L2构成，第二双胶合透镜组CL12由相互胶合的第五单透镜L5和第六单透镜L6构成，第三双胶合透镜组CL13由相互胶合的第七单透镜L7和第八单透镜L8构成，第一三胶合透镜组CL14由相互胶合的第九单透镜L9、第十单透镜L10和第十一单透镜L11构成，第二三胶合透镜组CL21由相互胶合的第十二单透镜L12、第十三单透镜L13和第十四单透镜L14构成，第一单透镜为正透镜，第一透镜靠近物方的透镜表面是平面，第三单透镜L3为正透镜，第四单透镜L4为正弯月透镜，第十四单透镜L14为负透镜，设置有面对图像的凹形表面，小球面的曲率中心位于像空间一侧，大球面的曲率中心位于物空间一侧；第十五单透镜L15负透镜，设置有面对物体的凹形表面，小球面的曲率中心位于物空间一侧，大球面的曲率中心位于像空间一侧，第十四单透镜L14、第十五单透镜L15主要用于校正场曲。
其中第一透镜组G1的焦距f1＝6.358mm，显微镜物镜的焦距fobj＝2mm，|f1/fobj|＝3.179；第十四单透镜L14面对图像的凹形表面的光焦度Φ2-1＝0.346屈光度，第十五单透镜L15面对物体的凹形表面的光焦度Φ2-2＝0.309屈光度，|Φ2-1-Φ2-2|＝0.0365屈光度；第十四单透镜和第十五单透镜的nd＝1.816,vd＝46.6；第十四单透镜远离物方一侧表面的半径值为2.3579mm，第十五单透镜靠近物方一侧表面的半径值为2.6368mm；第十四透镜和所述的第十五透镜之间沿光轴所在的直线上的空气层间隔为1.73mm。
各透镜的具体数据如表2所示：其中整个显微镜透镜焦距f＝2；数值孔径NA＝1.46；
表2
面编号 半径 厚度 Nd Vd
L1物面 Infinity 0.51 1.4890 31.2000
L2物面 -1.4302 2.24 1.634 54.3
L2像面 -2.3621 0.10
L3物面 Infinity 1.26 1.517 52.4
L3像面 -7.215 0.20
L4物面 -10.2049 2.43 1.538 65.2
L4像面 -5.7286 0.12
L5物面 -15.291 0.5 1.557 50.2
L6物面 15.5635 8.35 1.658 52.9
L6像面 -14.2537 0.26 0
L7物面 128.1854 1.21 1.623 58.7
L8物面 8.2054 9.46 1.462 78
L8像面 -13.2085 1.0
L9物面 26.3541 2.83 1.686 72.1
L10物面 7.0854 10.34 1.462 78
L11物面 -13.2634 1.58 1.430 68.3
L11像面 701.8884 4.2
L12物面 7.9036 6.41 1.517 52.4
L13物面 -7.4249 2.08 1.450 67.43
L14物面 8.97 6.65 1.816 46.6
L14像面 2.3579 1.73
L15物面 -2.6368 7.45 1.816 46.6
L15像面 -6.7875
实施例3：本实施例的显微镜物镜按照从物体的次序，由整体上具有正折射光焦度的第一透镜组G1和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组G2组成。从物方开始第一透镜组G1由第一双胶合透镜组CL11、第三单透镜L3、第四单透镜L4、第二双胶合透镜组CL12、第三双胶合透镜组CL13和第一三胶合透镜组CL14组成；第二透镜组G2由第二三胶合透镜组CL21和第十五单透镜L15组成；第一双胶合透镜组CL11由相互胶合的第一单透镜L1和第二单透镜L2构成，第二双胶合透镜组CL12由相互胶合的第五单透镜L5和第六单透镜L6构成，第三双胶合透镜组CL13由相互胶合的第七单透镜L7和第八单透镜L8构成，第一三胶合透镜组CL14由相互胶合的第九单透镜L9、第十单透镜L10和第十一单透镜L11构成，第二三胶合透镜组CL21由相互胶合的第十二单透镜L12、第十三单透镜L13和第十四单透镜L14构成，第一单透镜为正透镜，第一透镜靠近物方的透镜表面是平面，第三单透镜L3为正弯月透镜，第四单透镜L4为正透镜，第十四单透镜L14为负透镜，设置有面对图像的凹形表面，小球面的曲率中心位于像空间一侧，大球面的曲率中心位于物空间一侧；第十五单透镜L15负透镜，设置有面对物体的凹形表面，小球面的曲率中心位于物空间一侧，大球面的曲率中心位于像空间一侧，第十四单透镜L14、第十五单透镜L15主要用于校正场曲。
其中第一透镜组G1的焦距f1＝6.658mm，显微镜物镜的焦距fobj＝2mm，|f1/fobj|＝3.329；第十四单透镜L14面对图像的凹形表面的光焦度Φ2-1＝0.3386屈光度，第十五单透镜L15面对物体的凹形表面的光焦度Φ2-2＝0.316屈光度，|Φ2-1-Φ2-2|＝0.0223屈光度；第十四单透镜和第十五单透镜的nd＝1.816,vd＝46.6；第十四单透镜远离物方一侧表面的半径值为2.41mm，第十五单透镜靠近物方一侧表面的半径值为2.58mm；第十四透镜和所述的第十五透镜之间沿光轴所在的直线上的空气层间隔为1.73mm。
各透镜的具体数据如表3所示：其中整个显微镜透镜焦距f＝2；数值孔径NA＝1.45；
表3

Claims (6)

1.一种显微镜物镜，其特征在于从物方开始由依次设置的整体上具有正折射光焦度的第一透镜组G1和整体上具有负折射光焦度的第二透镜组G2组成，所述的第一透镜组G1由从物方开始依次设置的第一双胶合透镜组CL11、第三单透镜L3、第四单透镜L4、第二双胶合透镜组CL12、第三双胶合透镜组CL13和第一三胶合透镜组CL14组成；所述的第二透镜组G2由从物方开始依次设置的第二三胶合透镜组CL21和第十五单透镜L15组成，所述的第一双胶合透镜组CL11由相互胶合的第一单透镜L1和第二单透镜L2构成，所述的第二双胶合透镜组CL12由相互胶合的第五单透镜L5和第六单透镜L6构成，所述的第三双胶合透镜组CL13由相互胶合的第七单透镜L7和第八单透镜L8构成，所述的第一三胶合透镜组CL14由相互胶合的第九单透镜L9、第十单透镜L10和第十一单透镜L11构成，所述的第二三胶合透镜组CL21由相互胶合的第十二单透镜L12、第十三单透镜L13和第十四单透镜L14构成，所述的第一单透镜为正透镜，所述的第一单透镜靠近物方的透镜表面是平面或者凹形表面，所述的第三单透镜L3和所述的第四单透镜L4中的至少一个为正弯月透镜，所述第十四单透镜L14设置有面对图像的凹形表面，所述的第十五单透镜L15设置有面对物体的凹形表面。
2.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于所述的第三单透镜L3和所述的第四单透镜L4均为正弯月透镜。
3.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于所述的显微镜物镜满足以下条件：
0.5≤|f1/fobj|≤10
其中fobj表示所述显微镜物镜的焦距，f1表示所述第一透镜组的焦距，
定义透镜表面的光焦度为Φ，
Φ＝(n′-n)/r
其中光焦度的单位为屈光度，r表示该透镜表面的曲率半径，n表示空气的折射率；n’表示该透镜在波长为587.56nm时的折射率，则所述第十四单透镜L14面对图像的凹形表面和所述的第十五单透镜L15面对物体的凹形表面满足以下条件：
0<|Φ2-1-Φ2-2|<1
其中Φ2-1表示所述第十四单透镜L14面对图像的凹形表面的光焦度，Φ2-2表示所述第十五单透镜L15面对物体的凹形表面的光焦度。
4.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于所述的第十四单透镜和所述的第十五单透镜都满足以下条件：
1.55<nd<1.95
30<Vd<76
其中nd表示波长为587.56nm时的折射率，Vd表示波长为587.56nm时的阿贝数。
5.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于所述的第十四单透镜远离物方一侧表面的曲率半径值大于1.65mm，所述的第十五单透镜靠近物方一侧表面的曲率半径值大于1.32mm。
6.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于所述的第十四单透镜和所述的第十五单透镜之间沿光轴所在的直线上的空气层间隔为0.1mm至3mm。
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