CN108873289A - 显微物镜光学系统及光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出的显微物镜光学系统及光学设备，采用折反射式结构，具体为折反射中继镜组与复杂透射式准直镜组相结合的方式，有效校正高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，在波段320nm～800nm范围内，实现视场大于2mm，数值孔径为1.0，成像质量达到衍射限。

Description

显微物镜光学系统及光学设备

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种显微物镜光学系统及光学设备。

背景技术

超高通量显微物镜具有大视场、大数值孔径、宽谱段等特点，在生物学、计量学以及半导体检测等领域有着广泛的应用。以生物学中基因测序用显微物镜为例，待成像的样品在激光的作用下发出微弱的荧光，显微物镜需要对弱荧光具有较高的能量收集能力，同时要求显微物镜具有较高的分辨率，因此需要光学系统具有较大的数值孔径。此外，为提高测量效率光学系统应该具有较大的成像视场，通常情况下要求的视场比标准显微物镜的视场大很多。

目前比较通用的技术方案为透射式系统，其缺点包括：第一，对材料折射率和阿贝数公差要求比较严格；第二，在同等指标要求下，透射式光学系统的长度比较大，光学元件的口径也比较大，镜片的数量也更多；第三，为校正二级光谱和倍率色差，必然用到一些特殊的难以制造的光学材料，例如氟化钙。国内外公开的期刊和专利中也公开了一些折反射结构形式，例如美国专利USP8675276公开了宽频带显微术折反射成像系统，但是其设计视场比较小，典型系统的物方视场为0.15mm，由于现有技术没有对视场有关的像差进行校正和平衡，特别是像散、场曲和初高级彗差，因此所实现成像视场较小且波像差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种显微物镜光学系统及光学设备，有效校正高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，在波段320nm～800nm范围内，实现视场大于2mm，数值孔径为1.0，成像质量达到衍射限。

第一方面，本发明提供一种显微物镜光学系统，包括以中间像面为界分成的中继镜组和准直镜组，所述中继镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜以及负光焦度的第四透镜，其中，所述第二透镜朝向物面第一表面具有第一透射区，所述第三透镜为弯月透镜，所述第三透镜的两个表面的曲率中心均位于物面一侧，第三透镜第二表面中心区域为第二透射区，所述二透镜和物面之间设有液体介质；

所述准直镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜、负光焦度的第八透镜、正光焦度的第九透镜、正光焦度的第十透镜、正光焦度的第十一透镜、负光焦度的第十二透镜以及负光焦度的第十三透镜，其中，所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第九透镜和所述第十四透镜为双凸透镜，所述第八透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜和所述第十三透镜为弯月透镜且表面均弯向物面一侧，所述第十透镜为双凹透镜；

由物面发出的光能量依次经过液体介质、所述第二透镜的第一透射区、所述第二透镜第二表面、所述第三透镜第一表面后经所述第三透镜第二表面内反射区域反射，返回到所述第三透镜第一表面，再经过所述第二透镜第二表面，到达所述第二透镜第一表面，被所述第二透镜第一表面的内反射区域反射后回到第二透镜第二表面，进入所述第三透镜第一表面，透过所述第三透镜第二表面中心的第二透射区进入所述第四透镜，汇聚到中间像面，中间像面的光能量继续传播，依次经过所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜、所述第十四透镜形成平行光发射到光学系统外部。

可选地，还包括无光焦度的第一透镜，所述第一透镜和所述第二透镜为胶合透镜组，所述第一透镜设置在所述第二透镜朝向物面的一侧，所述第一透射区设置在所述第二透镜第一表面与所述第一透镜胶合的区域。

可选地，所述第一透镜为无光焦度的平行平板、球面透镜或非球面透镜。

可选地，所述第二透镜第一表面可以为平面、球面透镜或非球面透镜。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜均采用熔石英或氟化钙材料制成。

可选地，所述第八透镜和所述第九透镜之间还设有孔径光阑。

可选地，所述液体介质为水或生物浸液。

可选地，所述显微物镜光学系统的光学参数具体如下表所示：

可选地，所述系统中全部透镜的光学表面均为球面透镜或非球面透镜。

第二方面，本发明提供一种光学设备，具有上述的显微物镜光学系统。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提出的显微物镜光学系统及光学设备，采用折反射式结构，具体为折反射中继镜组与复杂透射式准直镜组相结合的方式，有效校正高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，在波段320nm～800nm范围内，实现视场大于2mm，数值孔径为1.0，成像质量达到衍射限。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的显微物镜光学系统的结构及光路图；

图2是本发明实施例中提供的显微物镜光学系统的波像差随视场的变化曲线图；

图3是本发明实施例中提供的显微物镜光学系统的相对畸变曲线。

附图标记：

L1—第一透镜，L2—第二透镜，L3—第三透镜，L4—第四透镜，L5—第五透镜，L6—第六透镜，L7—第七透镜，L8—第八透镜，L9—第九透镜，L10—第十透镜，L11—第十一透镜，L12—第十二透镜，L13—第十三透镜，L14—第十四透镜，101—物面，102—中间像面，103—孔径光阑，201—第二透镜第一表面，202—第二透镜第二表面，301—第三透镜第一表面，302—第三透镜第二表面。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供一种显微物镜光学系统，采用折反射式结构，包括以中间像面102为界分成的中继镜组和准直镜组，所述中继镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3以及负光焦度的第四透镜L4，其中，所述第二透镜L2朝向物面101第一表面具有第一透射区，所述第三透镜L3为弯月透镜，所述第三透镜L3的两个表面的曲率中心均位于物面101一侧，第三透镜第二表面302中心区域为第二透射区，第三透镜L3除去第二透射区的其他区域第二内反射区域，所述二透镜和物面101之间设有液体介质，所述准直镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第五透镜L5、正光焦度的第六透镜L6、正光焦度的第七透镜L7、负光焦度的第八透镜L8、正光焦度的第九透镜L9、正光焦度的第十透镜L10、正光焦度的第十一透镜L11、负光焦度的第十二透镜L12以及负光焦度的第十三透镜L13，其中，所述第五透镜L5、所述第六透镜L6、所述第七透镜L7、所述第九透镜L9和所述第十四透镜L14为双凸透镜，所述第八透镜L8、所述第十一透镜L11、所述第十二透镜L12和所述第十三透镜L13为弯月透镜且表面均弯向物面101一侧，所述第十透镜L10为双凹透镜，由物面101发出的光能量依次经过液体介质、所述第二透镜L2的第一透射区、所述第二透镜第二表面202、所述第三透镜第二表面301后经所述第三透镜第二表面302内反射区域反射，返回到所述第三透镜第二表面301，再经过所述第二透镜第二表面202，到达所述第二透镜第一表面201，被所述第二透镜第一表面201的内反射区域反射后回到第二透镜第二表面202，进入所述第三透镜第二表面301，透过所述第三透镜第二表面302中心的第二透射区进入所述第四透镜L4，汇聚到中间像面102，中间像面102的光能量继续传播，依次经过所述第五透镜L5、所述第六透镜L6、所述第七透镜L7、所述第八透镜L8、所述第九透镜L9、所述第十透镜L10、所述第十一透镜L11、所述第十二透镜L12、所述第十三透镜L13、所述第十四透镜L14形成平行光发射到光学系统外部，将位于物面101的样品发射出的光能量准直成平行光，实现无限共轭，同时解决了光学成像视场和波像差衍射限的设计问题。显微物镜采用单种或几种材料组成的折反射结构形式，有效平衡与视场有关像差。

可选地，还包括无光焦度的第一透镜L1，所述第一透镜L1和所述第二透镜L2为胶合透镜组，第二透镜L2除去第一透射区的其他区域设为第一内反射区域，所述第一透镜L1设置在所述第二透镜L2朝向物面101的一侧，所述第一透射区设置在所述第二透镜第一表面201与所述第一透镜L1胶合的区域，第一透镜L1可以采用无光焦度的平行平板、球面透镜或非球面透镜，需要说明的是第一透镜L1可以省掉。

中继镜组由四个镜片组成，其中包含一个平行平板、两个折反射镜和一个透镜，其作用是将物面101形成一个放大的实像即一次像面，其放大倍率可在-1.8～-2.0；准直镜组由十片透镜，其作用是一次像面的光准直成平行光发射到系统外部。

对应的，第二透镜第一表面201可以为平面或球面，即在第一透镜L1采用无光焦度的平行平板时候，第二透镜第一表面201采用平面设计，而在第二透镜L2采用球面透镜时候，第二透镜第一表面201则对应采用球面设计以保证在胶合时候的良好的贴合。

对于透镜的材质，本实施例中，所述第一透镜L1、所述第二透镜L2、所述第三透镜L3、所述第四透镜L4、所述第五透镜L5、所述第六透镜L6、所述第七透镜L7、所述第八透镜L8、所述第九透镜L9、所述第十一透镜L11、所述第十二透镜L12、所述第十三透镜L13以及所述第十四透镜L14均采用熔石英材料制成，熔石英透镜具有色差小、中心遮拦小、物方远心以及低畸变等技术特点。

可选地，所述第八透镜L8和所述第九透镜L9之间还设有孔径光阑103，孔径光阑103用来调整成像光束，它的位置及通光孔的大小对光学系统所成像的明亮程度、清晰度和某些像差的大小有直接关系。该光阑的通光孔越小，球差越小，像越清晰，景深越大；但像的明亮程度越弱。通光孔越大，像的明亮程度越强；但球差越大，像的清晰程度越差，景深越小。

本实施例中，所述液体介质为水或生物浸液，对此不做限定。

本发明提供的显微物镜光学系统的光学参数具体如下表所示：

本实施例中，所述系统中全部透镜的光学表面均为球面透镜或非球面透镜，即第一透镜、第二透镜，……，第十三透镜以及第十四透镜的光学表面都采用球面透镜或非球面透镜。

本发明提出的显微物镜光学系统，有效校正高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，在波段320nm～800nm范围内，实现视场大于2mm，数值孔径为1.0，成像质量达到衍射限。

本发明的显微物镜光学系统，采用由十片透镜组成的准直镜组，对中继镜组的初级和高级球差，特别是与视场有关的高级像散、高级场曲进行校正，最终实现了大视场设计，采用本发明提供的显微物镜光学系统还具有结构紧凑的特点。

本发明的显微物镜光学系统技术指标如表1所示。

表1显微物镜光学系统达到的技术指标

下面通过实验数据对本发明的效果加以佐证，具体地，结合图2所示，横坐标为半视场，单位是毫米，最大值为1.04mm；纵坐标为RMS波像差值，单位是波长λ(λ＝632nm)；黑实线为显微物镜光学系统考虑三个主要工作波长时波像差随视场的变化曲线；蓝色虚线为显微物镜光学系统在553nm工作波长时波像差随视场的变化曲线；绿色点划线为显微物镜光学系统在632nm工作波长时波像差随视场的变化曲线；红色实线为显微物镜光学系统在712nm工作波长时波像差随视场的变化曲线；图2中可以看出，工作波段内全视场波像差小于0.029λ。结合图3所示，横坐标为相对畸变，单位是％；纵坐标为物方视场；图3中的曲线分别给出了工作波长553nm、632nm和712nm相对畸变曲线，整个视场范围内极限小于0.006％，显微物镜光学系统各个波段的波像差随视场的变化情况如图2所示，整个视场的波像差在0.025λ～0.030λ(λ＝632nm)，显微物镜光学系统各个畸变曲线如图3所示，整个视场的相对畸变小于0.006％。

第二方面，本发明提供一种光学设备，具有上述的显微物镜光学系统，效校正高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，在波段320nm～800nm范围内，实现视场大于2mm，数值孔径为1.0，成像质量达到衍射限。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种显微物镜光学系统及光学设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种显微物镜光学系统，其特征在于，包括以中间像面为界分成的中继镜组和准直镜组，所述中继镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜以及负光焦度的第四透镜，其中，所述第二透镜朝向物面第一表面具有第一透射区，所述第三透镜为弯月透镜，所述第三透镜的两个表面的曲率中心均位于物面一侧，第三透镜第二表面中心区域为第二透射区，所述二透镜和物面之间设有液体介质；

所述准直镜组沿着光轴依次包括正光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜、负光焦度的第八透镜、正光焦度的第九透镜、正光焦度的第十透镜、正光焦度的第十一透镜、负光焦度的第十二透镜以及负光焦度的第十三透镜，其中，所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第九透镜和所述第十四透镜为双凸透镜，所述第八透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜和所述第十三透镜为弯月透镜且表面均弯向物面一侧，所述第十透镜为双凹透镜；

由物面发出的光能量依次经过液体介质、所述第二透镜的第一透射区、所述第二透镜第二表面、所述第三透镜第一表面后经所述第三透镜第二表面内反射区域反射，返回到所述第三透镜第一表面，再经过所述第二透镜第二表面，到达所述第二透镜第一表面，被所述第二透镜第一表面的内反射区域反射后回到第二透镜第二表面，进入所述第三透镜第一表面，透过所述第三透镜第二表面中心的第二透射区进入所述第四透镜，汇聚到中间像面，中间像面的光能量继续传播，依次经过所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜、所述第十四透镜形成平行光发射到光学系统外部。

2.根据权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于，还包括无光焦度的第一透镜，所述第一透镜和所述第二透镜为胶合透镜组，所述第一透镜设置在所述第二透镜朝向物面的一侧，所述第一透射区设置在所述第二透镜第一表面与所述第一透镜胶合的区域。

3.根据权利要求2所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜为无光焦度的平行平板、球面透镜或非球面透镜。

4.根据权利要求1或3所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜第一表面可以为平面或球面。

5.根据权利要求2所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜均采用熔石英或氟化钙材料制成。

6.根据权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第八透镜和所述第九透镜之间还设有孔径光阑。

7.根据权利要求2所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述液体介质为水或生物浸液。

8.根据权利要求7所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述显微物镜光学系统的光学参数具体如下表所示：

9.根据权利要求2所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述系统中全部透镜的光学表面均为球面透镜或非球面透镜。

10.一种光学设备，其特征在于，具有如权利要求1至9中任一项所述的显微物镜光学系统。