CN108957718B - 一种宽光谱平场复消色差显微物镜 - Google Patents

一种宽光谱平场复消色差显微物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱平场复消色差显微物镜。该显微物镜属于无限远共轭物镜，包括顺次设置的第一部分、第二部分、第三部分，其中：第一部分包括顺次设置的盖玻片、第一弯月透镜和第二弯月透镜，第一部分提供光焦度，并为之后部分减小数值孔径；第二部分包括顺次设置的第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、第三双胶合透镜和三胶合透镜，第二部分用于校正色差；第三部分包括第四双胶合透镜，用于辅助补足光焦度，并校正场曲。本发明较相同倍率物镜数值孔径大，增大了荧光显微成像的亮度，并且光谱范围宽，覆盖了大部分可见光以及部分近红外光，最终实现了复消色差。

Description

一种宽光谱平场复消色差显微物镜
技术领域
本发明属于显微物镜技术领域，特别是一种宽光谱平场复消色差显微物镜。
背景技术
近年来，随着生物医学的发展，各项研究对显微物镜的要求越来越高。目前，在精密生物医学研究中所用的显微物镜基本都要求平场并复消色差。中国专利(大视场平场消色差显微镜物镜，申请号99252126.2)给出了一种显微物镜，它仅校正了色差，并未实现复消色差，且数值孔径较小，光谱范围较窄。美国专利US20150248001A1中给出了一种复消色差显微物镜，但其属于小倍率相对数值孔径较大的显微物镜，像方视场较小，仅为22mm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数值孔径大、光谱范围广的宽光谱平场复消色差显微物镜。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽光谱平场复消色差显微物镜，该显微物镜属于无限远共轭物镜，由顺次设置的第一部分、第二部分、第三部分组成，其中：
第一部分由顺次设置的盖玻片、第一弯月透镜和第二弯月透镜组成，第一部分提供光焦度，并为之后部分减小数值孔径；所述第一弯月透镜采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31；所述第二弯月透镜采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31；
第二部分由顺次设置的第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、第三双胶合透镜和三胶合透镜组成，第二部分用于校正色差；
所述第一双胶合透镜由前片和后片胶合组成：前片为双凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.654，阿贝数v＝44.72；后片为凹凸透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.667，阿贝数v＝33.06；
所述第二双胶合透镜由前片和后片胶合组成：前片为凹凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.785，阿贝数v＝26.22；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99；
所述第三双胶合透镜由前片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.533，阿贝数v＝45.94；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.497，阿贝数v＝81.63；
第三部分由第四双胶合透镜组成，用于辅助补足光焦度，并校正场曲；
所述三胶合透镜由前片、中片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.613，阿贝数v＝36.96；中片为凸凸透镜，光焦度为正，且中片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99；后片为凹凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.601，阿贝数v＝46.21；
所述第四双胶合透镜由前片和后片胶合组成：前片为凸凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.808，阿贝数v＝22.76；后片为凹凹透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.802，阿贝数v＝44.32。
进一步地，所述盖玻片、第一弯月透镜之间间隔为0.22mm，第一弯月透镜、第二弯月透镜之间间隔为1.24mm，第二弯月透镜、第一双胶合透镜之间间隔为1.21mm，第一双胶合透镜、第二双胶合透镜之间间隔为0.15mm，第二双胶合透镜、第三双胶合透镜之间间隔为2.66mm，第三双胶合透镜、三胶合透镜之间间隔为0.41mm，三胶合透镜、第四双胶合透镜之间间隔为2.6mm。
进一步地，该显微物镜的工作距离为0.21mm，工作距离为物面到盖玻片的距离。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)光谱较宽，覆盖大部分可见光以及部分近红外光，校正了二级光谱，实现复消色差，且增大了视场和数值孔径；(2)利用厚透镜来校正场曲，得到像方视场直径25mm，数值孔径为0.95，光谱范围450～800nm，各像差校正良好的40倍平场复消色差物镜。
附图说明
图1为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的三个部分结构示意图。
图2为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的结构数据标注示意图。
图3为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的场曲畸变图，其中(a)为场曲图，(b)为畸变图。
图4为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的色差曲线图。
图5为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的点列图。
图6为本发明宽光谱平场复消色差显微物镜的MTF曲线图。
具体实施方式
结合图1～2，本发明宽光谱平场复消色差显微物镜，该显微物镜属于无限远共轭物镜，包括顺次设置的第一部分G1、第二部分G2、第三部分G3，其中：
第一部分G1包括顺次设置的盖玻片B1、第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2，第一部分G1提供光焦度，并为之后部分减小数值孔径；
第二部分G2包括顺次设置的第一双胶合透镜L3、第二双胶合透镜L4、第三双胶合透镜L5和三胶合透镜L6，第二部分G2用于校正色差；
第三部分G2包括第四双胶合透镜L7，用于辅助补足光焦度，并校正场曲。
作为一种具体示例，所述盖玻片B1、第一弯月透镜L1之间间隔为0.22mm，第一弯月透镜L1、第二弯月透镜L2之间间隔为1.24mm，第二弯月透镜L2、第一双胶合透镜L3之间间隔为1.21mm，第一双胶合透镜L3、第二双胶合透镜L4之间间隔为0.15mm，第二双胶合透镜L4、第三双胶合透镜L5之间间隔为2.66mm，第三双胶合透镜L5、三胶合透镜L6之间间隔为0.41mm，三胶合透镜L6、第四双胶合透镜L7之间间隔为2.6mm。
作为一种具体示例，该显微物镜的工作距离为0.21mm，工作距离为物面到盖玻片B1的距离。
作为一种具体示例，所述第一弯月透镜L1采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31。第一弯月透镜L1为正光焦度厚弯月形厚透镜，且承担光焦度较大。
作为一种具体示例，所述第二弯月透镜L2采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31。第二弯月透镜L2为正光焦度弯月形透镜，且承担较大光焦度。
作为一种具体示例，所述第一双胶合透镜L3由前片和后片胶合组成：前片为双凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.654，阿贝数v＝44.72；后片为凹凸透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.667，阿贝数v＝33.06。
作为一种具体示例，所述第二双胶合透镜L4由前片和后片胶合组成：前片为凹凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.785，阿贝数v＝26.22；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99。
作为一种具体示例，所述第三双胶合透镜L5由前片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.533，阿贝数v＝45.94；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.497，阿贝数v＝81.63。
作为一种具体示例，所述三胶合透镜L6由前片、中片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.613，阿贝数v＝36.96；中片为凸凸透镜，光焦度为正，且中片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99；后片为凹凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.601，阿贝数v＝46.21。
作为一种具体示例，所述第四双胶合透镜L7由前片和后片胶合组成：前片为凸凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.808，阿贝数v＝22.76；后片为凹凹透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.802，阿贝数v＝44.32。
本发明实现的宽光谱平场复消色差显微物镜，光谱范围450nm-800nm，覆盖大部分可见光以及部分近红外光，光谱范围较宽；放大倍率40倍，数值孔径为0.95，较同倍率物镜数值孔径大；像方视场为25mm；并且采用了CaF2玻璃，CaF2玻璃是典型的特殊色散玻璃，对校正色差、实现复消色差有显著作用。
下面结合附图和具体实施例子对本发明做进一步的阐述。
实施例1
参照图2，本发明宽光谱平场复消色差显微物镜由7组透镜分为三个子部分共13片玻璃组成，从左至右依次为物面、盖玻片B1、第一弯月透镜L1、第二弯月透镜L2、第一双胶合透镜L3、第二双胶合透镜L4、第三双胶合透镜L5、三胶合透镜L6、第四双胶合透镜L7、无限远像面。物面到盖玻片B1的距离为工作距离WD＝0.21mm。
本实施例中上述三个子部分中，第一部分由第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2组成，两者间隔为1.236mm。第二部分由第一双胶合透镜L3、第二双胶合透镜L4、第三双胶合透镜L5和三胶合透镜L6，第二部分与第一部分间距为1.213mm。第三部分由第四双胶合透镜L7组成，第三部分与第二部分间隔为2.6mm。主要用来校正色差的CAF2玻璃主要分布在第二光组中的正光焦度部分中。
本实施例中，所述的第一弯月透镜L1，凹向盖玻片，所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.743，v＝49.31，两面曲率分别为R1a＝-3.026mm，R1b＝-4.127mm，厚度T2＝3.653mm。
本实施例中，所述的第二弯月形透镜L2，凹向盖玻片，所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.72，ν＝49.31，两面曲率分别为R2a＝-8.152mm，R2b＝-6.278mm，厚度T4＝3.43mm。
本实施例中，所述的第一双胶合透镜L3，前片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.654，ν＝44.72，后片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.667，ν＝33.06，各面曲率分别为R3a＝708.163mm，R3b＝-7.438mm，R3c＝-19.822mm，厚度依次为T6＝6.872mm，T7＝1.228mm。
本实施例中，所述的第二双胶合透镜L4，前片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.785，v＝26.22，后片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.434，ν＝94.99，各面曲率分别为R4a＝-80.689mm，R4b＝26.565mm，R4c＝-19.735mm，厚度依次为T9＝1.103mm，T10＝4.853mm。
本实施例中，所述的第三双胶合透镜L5，前片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.533，v＝45.94，后片所用材料折射率和阿贝数分别为折射率和阿贝数分别为n＝1.497，v＝81.63，各面曲率分别为R5a＝51.981mm，R5b＝9.458mm，R5c＝48.656mm，厚度依次为T12＝1.1mm，T13＝7.6mm。
本实施例中，所述的三胶合透镜L6，前片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.613，v＝36.96，第二片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.434，v＝94.99，后片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.601，v＝46.21，曲率分别为R6a＝32.548mm，R6b＝11.255，R6c＝-214.103mm，R6d＝-43.146mm，厚度依次为T15＝2.733mm，T16＝4.39mm，T17＝1.947mm。
本实施例中，所述的第四双胶合透镜L7，前片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.808，v＝22.76，后片所用材料折射率和阿贝数分别为n＝1.802，v＝44.32，各面曲率分别为R7a＝-267.18mm，R7b＝-9.744m，R7c＝16.455mm，厚度依次为T19＝5.443mm，T20＝6.853。
下表为实施例中各透镜曲率半径R，中心厚度、透镜之间距离T，折射率n,色散ν的详细数据表。下表中折射率和阿贝数都是指波长λ＝0.58756μm时各玻璃材料的折射率和色散系数。
表1实施例各结构数据表
Figure GDA0002930110810000061
Figure GDA0002930110810000071
结合光学设计软件ZEMAX，得到成像质量良好的40倍数值孔径0.95平场复消色差显微物镜，工作距离0.21mm。
下面给出是该发明物镜的各像差分析图。图3是本发明平场复消色差物镜的场曲畸变图，其中(a)为场曲图，(b)为畸变图。图4是本发明平场复消色差物镜的色差曲线图，图5是本发明平场复消色差物镜的点列图，图6是本发明平场复消色差物镜的MTF曲线图。本设计属于中高倍显微物镜，数值孔径也相对较大，由图3～图6可知，设计接近衍射极限，满足设计要求。

Claims (3)

1.一种宽光谱平场复消色差显微物镜，其特征在于，该显微物镜属于无限远共轭物镜，由顺次设置的第一部分(G1)、第二部分(G2)、第三部分(G3)组成，其中：
第一部分(G1)由顺次设置的盖玻片(B1)、第一弯月透镜(L1)和第二弯月透镜(L2)组成，第一部分(G1)提供光焦度，并为之后部分减小数值孔径；所述第一弯月透镜(L1)采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31；所述第二弯月透镜(L2)采用凹向盖玻片，所用材料折射率n＝1.743，阿贝数v＝49.31；
第二部分(G2)由顺次设置的第一双胶合透镜(L3)、第二双胶合透镜(L4)、第三双胶合透镜(L5)和三胶合透镜(L6)组成，第二部分(G2)用于校正色差；
所述第一双胶合透镜(L3)由前片和后片胶合组成：前片为双凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.654，阿贝数v＝44.72；后片为凹凸透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.667，阿贝数ν＝33.06；
所述第二双胶合透镜(L4)由前片和后片胶合组成：前片为凹凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.785，阿贝数ν＝26.22；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99；
所述第三双胶合透镜(L5)由前片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.533，阿贝数v＝45.94；后片为凸凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.497，阿贝数v＝81.63；
第三部分(G3)由第四双胶合透镜(L7)组成，用于辅助补足光焦度，并校正场曲；
所述三胶合透镜(L6)由前片、中片和后片胶合组成：前片为凸凹透镜，光焦度为负，且前片所用材料折射率n＝1.613，阿贝数v＝36.96；中片为凸凸透镜，光焦度为正，且中片所用材料为CaF2玻璃，折射率n＝1.434，阿贝数v＝94.99；后片为凹凸透镜，光焦度为正，且后片所用材料折射率n＝1.601，阿贝数v＝46.21；
所述第四双胶合透镜(L7)由前片和后片胶合组成：前片为凸凸透镜，光焦度为正，且前片所用材料折射率n＝1.808，阿贝数v＝22.76；后片为凹凹透镜，光焦度为负，且后片所用材料折射率n＝1.802，阿贝数ν＝44.32。
2.根据权利要求1所述的宽光谱平场复消色差显微物镜，其特征在于，所述盖玻片(B1)、第一弯月透镜(L1)之间间隔为0.22mm，第一弯月透镜(L1)、第二弯月透镜(L2)之间间隔为1.24mm，第二弯月透镜(L2)、第一双胶合透镜(L3)之间间隔为1.21mm，第一双胶合透镜(L3)、第二双胶合透镜(L4)之间间隔为0.15mm，第二双胶合透镜(L4)、第三双胶合透镜(L5)之间间隔为2.66mm，第三双胶合透镜(L5)、三胶合透镜(L6)之间间隔为0.41mm，三胶合透镜(L6)、第四双胶合透镜(L7)之间间隔为2.6mm。
3.根据权利要求1所述的宽光谱平场复消色差显微物镜，其特征在于，该显微物镜的工作距离为0.21mm，工作距离为物面到盖玻片(B1)的距离。
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