CN109061862A

CN109061862A - 一种大视场数的显微镜物镜

Info

Publication number: CN109061862A
Application number: CN201810980807.4A
Authority: CN
Inventors: 胡慧杰; 巩岩
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: CN109061862B

Abstract

本发明适用光学器件技术领域，提供了一种大视场数的显微镜物镜，本发明在物镜中依次设置增大物方视场的第一透镜、承担高光焦度并调节彗差的第二透镜、校正二级色差的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组和用于校正场曲的第四透镜组，可以通过增加单次成像的面积来减少扫描和拼接的时间，使显微镜在达到高分辨率的同时增加视场扫描的速度，大大减少了数据采样的时间，实现采集信息的高通量和大数据。

Description

一种大视场数的显微镜物镜

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，尤其涉及一种大视场数的显微镜物镜。

背景技术

显微物镜以一定的视场角、焦距、相对孔径完成其特定的成像功能。但是受光学成像原理的限制，这些光学特性参数之间是相互制约的。显微物镜具备大数值孔径带来高分辨率的特点，但是受光学系统收集信息能力的限制，通常很难同时兼顾高分辨率和大视场。

常规显微物镜的视场数(F.N.)为22mm，不能满足大面积甚至是全切片成像的要求。现有的技术多采用快速扫描和视场拼接的方法实现全切片成像。由于受到单个视场尺寸以及视场拼接算法的限制，全片成像速度较慢，需要数分钟才能完成全片扫描成像。如现有技术中，通过采用结构相同的粘合元件和透镜组来保证高数值孔径，但会导致高倍率以及常规像方线视场带来的物方视场会很小，不能满足宽视场的需求。又如通过采用对称性双高斯结构可以实现低倍率以及增大物方视场，但会导致数值孔径较小而不能满足高分辨率需求。同时，在基因测序系统、病理切片扫描成像系统等前沿科研仪器上又需要达到高分辨率的同时增加视场扫描的速度的条件，现有技术存在不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大视场数的显微镜物镜，旨在解决宽视场(即大视场数和低倍率)且达到较高数值孔径，同时具有平场、复消色差、成像质量优异、成本适中和便于加工的技术问题或者其中之一。

本发明提供了一种大视场数的显微镜物镜，从物方开始依次由第一透镜、第二透镜、第一透镜组、第三透镜组和第四透镜组组成；

所述第一透镜设置为齐明透镜，用于高数值孔径时增大物方视场；

所述第二透镜设置为正弯月透镜，用于承担高数值孔径所需的高光焦度并调节彗差；

所述第一透镜组由从物方开始依次排列的高折射率的第三透镜、低色散且低折射率的第四透镜和高色散的第五透镜相互结合组成，用于校正二级色差；

所述第三透镜组由从物方开始依次排列的第八透镜和第九透镜相互结合组成；所述第九透镜为双凹负透镜，其两个曲率中心位于像空间一侧；

所述第四透镜组由从物方开始依次排列的第十透镜和第十一透镜相互结合组成，用于校正大视场带来的严重场曲；所述第十透镜为双凹负透镜，其两个曲率中心位于物空间一侧；所述第十一透镜为负弯月透镜，其两个曲率中心位于物空间一侧。

优选的，还包括设置在所述第一透镜组与所述第三透镜组之间的第二透镜组；

所述第二透镜组由从物方开始依次排列的第六透镜和第七透镜相互结合组成，所述第二透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组。

优选的，所述第一透镜设置为具有负光焦度；

所述第二透镜设置为具有正光焦度；

所述第一透镜组设置为具有正光焦度的三胶合透镜组；

所述第二透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

所述第三透镜组设置为具有负光焦度的双胶合透镜组；

所述第四透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组。

优选的，所述第四透镜组的像方还设置有管镜，用以使像方成实像；所述管镜从物方开始依次由第五透镜组、第十四透镜和第十五透镜组成；

所述第五透镜组由从物方开始依次排列的第十二透镜和第十三透镜相互结合组成；

所述第十四透镜设置为弯月厚透镜，两个曲率中心位于像空间一侧；

所述第十五透镜设置为弯月厚透镜，两个曲率中心位于像空间一侧。

优选的，所述第五透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

所述第十四透镜设置为具有负光焦度；

所述第十五透镜设置为具有正光焦度。

优选的，所述第一透镜的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于-6.2且小于-5.1；

所述第二透镜的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于2.2且小于2.8；

所述第一透镜组的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于2.9且小于3.5；

所述第二透镜组的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于15.9且小于17.6；

所述第三透镜组的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于-4.2且小于-3.3；

所述第四透镜组的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于10.2且小于11.9。

优选的，显微镜物镜的数值孔径大于等于0.8且小于1。

优选的，显微镜物镜的视场数大于等于30且小于32。

优选的，所述第一透镜与盖玻片的间距大于等于1且小于1.5。

优选的，所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜在光谱为546.07nm时的折射率大于1.45且小于1.53；所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜在光谱为546.07nm时的阿贝数大于78且小于91。

本发明在物镜中依次设置增大物方视场的第一透镜、承担高光焦度并调节彗差的第二透镜、校正二级色差的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组和用于校正场曲的第四透镜组，增大了物方视场，即增大了单次成像的面积，实现单位面积下扫描速度的增加以及拼接的时间减少，使显微镜在达到高分辨率的同时增加视场扫描的速度，大大减少了数据采样的时间，实现采集信息的高通量和大数据。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中的0视场横向像差图；

图3是本发明实施例中的0视场波像差图；

图4是本发明实施例中的0视场传递函数曲线图；

图5是本发明是实施例中的轴向像差图；

图6本发明实施例中的场曲畸变图；

图7是本发明提供的管镜的结构示意图；

图8是本发明实施例中添加管镜后的场曲畸变图。

附图标记说明：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；L5、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；L15、第十五透镜；G1、第一透镜组；G2、第二透镜组；G3、第三透镜组；G4、第四透镜组；G5、第五透镜组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-8及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

图1示出了本发明一种大视场数的显微镜物镜的具体结构。从物方(物方为物体的方向。相对方向为像方，即成像的方向。)开始依次由第一透镜L1、第二透镜L2、第一透镜组G1、第三透镜组G3和第四透镜组G4组成。

第一透镜L1设置为齐明透镜，采用负光焦度，用于高数值孔径时增大物方视场。

第二透镜L2设置为正弯月透镜，采用正光焦度，用于承担高数值孔径所需的高光焦度并调节彗差。

第一透镜组G1由从物方开始依次排列的高折射率的第三透镜L3、低色散且低折射率的第四透镜L4和高色散的第五透镜L5相互结合组成，采用正光焦度，用于校正二级光谱带来的位置色差。

第三透镜组G3由从物方开始依次排列的第八透镜L8和第九透镜L9相互结合组成；第九透镜L9为双凹负透镜，其两个曲率中心位于像空间一侧。以负光焦度形式平衡第一透镜、第二透镜、第一透镜组和第二透镜组的剩余球差。

第四透镜组G4由从物方开始依次排列的第十透镜L10和第十一透镜L11相互结合组成，用于校正大视场带来的严重场曲；第十透镜L10为双凹负透镜，其两个曲率中心位于物空间一侧；第十一透镜L11为负弯月透镜，其两个曲率中心位于物空间一侧。采用正光焦度，用于校正场曲。

作为一种优选的实施方式，还包括设置在第一透镜组G1与第三透镜组G3之间的第二透镜组G2；

第二透镜组G2由从物方开始依次排列的第六透镜L6和第七透镜L7相互结合组成，第二透镜组G2设置为具有正光焦度的双胶合透镜组。以正光焦度形式平衡第一透镜、第二透镜和第一透镜组的剩余球差。

具体的，上述十一个透镜共有十七个镜面，从物方至像方依次对十七个镜面进行排序：第一透镜L1面向物方的凹面为第一镜面，第一透镜L1面向像方的凹面为第二镜面，第二透镜L2面向物方的凹面为第三镜面，第二透镜L2面向像方的凹面为第四镜面，第三透镜L3面向物方的凸面为第五镜面，第三透镜L3面向像面的凹面和第四透镜L4面向物方的凹面的胶合面为第六镜面，第四透镜L4面向物方的凸面和第五透镜L5面向物方的凸面的胶合面为第七镜面，第五透镜L5面向像方的凹面为第八镜面，第六透镜L6面向物方的凸面为第九镜面，第六透镜L6面向像方的凹面和第七透镜L7面向物方的凹面的胶合面为第十镜面，第七透镜L7面向像方的凹面为第十一镜面，第八透镜L8面向物方的凸面为第十二镜面，第八透镜L8面向像方的凸面和第九透镜L9面向物方的凸面的胶合面为第十三镜面，第九透镜L9面向像方的凹面为第十四镜面，第十透镜L10面向物方的凹面为第十五镜面，第十透镜L10面向像方的凹面和第十一透镜L11面向物方的凹面的胶合面为第十六镜面，第十一透镜L11面向像方的凹面为第十七镜面。

为了使物镜结构能够解决上述技术问题，上述镜面的参数符合下表：

具体数据如表一所示：曲率半径、镜面间隔以及有效通光孔径设定取值范围，主要是依据光焦度不变的原理，其中，焦距为10mm。NA(数值孔径)为0.8。Nd为光谱在546.07nm时的折射率，Vd为光谱在546.07nm时的阿贝数。

表一

在优选的实施例中，第一透镜L1设置为具有负光焦度；

第二透镜L2设置为具有正光焦度；

第一透镜组G1设置为具有正光焦度的三胶合透镜组；

第二透镜组G2设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

第三透镜组G3设置为具有负光焦度的双胶合透镜组；

第四透镜组G4设置为具有正光焦度的双胶合透镜组。

其中，图2至图6为本实施例所能够达到的最佳数据。

如图2所示，实施例中的0视场横向像差图。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，各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个入瞳位置的横向像差均在±1um以内，由图可见不同波长在不同孔径下横向像差控制得非常好，成像优秀。图中横坐标为归一化入瞳；图中最下方说明部分MAXIMUMSCALE：±1um代表纵坐标最大为1um，最小为-1um。

如图3所示，实施例中的0视场波像差图。图中横坐标PY、PX代表入瞳，纵坐标W代表波像差，各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个入瞳位置的波像差均在±1/20Wave以内，由图可见不同波长在不同孔径下横波像差控制非常好，成像优秀。图中横坐标为归一化入瞳；图中最下方说明部分MAXIMUM SCALE：±0.05WAVES代表纵坐标最大为0.05Wave，最小为-0.05Wave。

如图4所示，实施例中的0视场传递函数曲线图。图中纵坐标是归一化OTF的模，横坐标是空间频率，单位为lp/mm。图中表明轴上视场传递函数曲线接近衍射极限。

如图5所示，实施例中的轴向色差图。图中纵坐标代表入瞳，横坐标代表纵向像差，单位为mm(毫米)。各光线波长用不同灰度表明，从0.5um(微米)到0.8um(微米)波段任意两个波长各个入瞳位置的轴向色差小于2λ/NA²，达到复消色差水平，即不同波长的光线在像面的最佳焦点位置相隔小于焦深值，成像质量优秀。图中纵坐标为归一化入瞳；横坐标代表纵向像差，最大为0.0008mm，最小为-0.0008mm。

如图6所示，实施例中的场曲畸变图。左边为场曲图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表场曲，单位为um。各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个视场位置的场曲值均在±0.5um以内，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2λ/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0.5um，最小为-0.5um。右边为畸变图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表畸变(百分比)，各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个视场位置的畸变均小于1.04％。图中纵坐标为归一化视场；横坐标代表畸变，最大为2.0％，最小为-2.0％。

如图7所示，在优选的实施例中，由于显微物镜的像方是无穷远成像，所以显微镜物镜的第四透镜组G4的像方还设置有管镜，用以使像方成实像；管镜从物方开始依次由第五透镜组G5、第十四透镜L14和第十五透镜L15组成。

第五透镜组G5由从物方开始依次排列的第十二透镜L12和第十三透镜L13相互结合组成；

第十四透镜L14设置为弯月厚透镜，两个曲率中心位于像空间一侧；

第十五透镜L15设置为弯月厚透镜，两个曲率中心位于像空间一侧。

优选的，第五透镜组G5设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

第十四透镜L14设置为具有负光焦度；

第十五透镜L15设置为具有正光焦度。

具体的，上述管镜的四个透镜共有七个镜面，从像方至物方依次对七个镜面进行排序：第十五透镜L15面向物方的凹面为管镜的第一镜面，第十五透镜L15面向物方的凹面为管镜的第二镜面，第十四透镜L14面向物方的凹面为管镜的第三镜面，第十四透镜L14面向物方的凹面为管镜的第四镜面，第十三透镜L13面向物方的凹面为管镜的第五镜面，第十三透镜L13面向像方的凸面和第十二透镜L12面向像方的凸面的胶合面为管镜的第六镜面，第十二透镜L12面向物方的凹面为管镜的第七镜面。

为了使管镜的结构能够解决上述技术问题，上述镜面的参数符合下表：

具体数据如表二所示：焦距为180mm。Nd为光谱在546.07nm时的折射率，Vd为光谱在546.07nm时的阿贝数。

表二

如图8所示，实施例中添加管镜后的场曲畸变图。左边为场曲图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表场曲，单位为um。各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个视场位置的场曲值均在±0.5um以内，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2λ/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0.2um，最小为-0.2um。右边为畸变图，图中纵坐标代表视场，横坐标代表畸变(百分比)，各光线波长用不同颜色表明，从0.5um到0.8um波段各个波长各个视场位置的畸变均小于0.08％。图中纵坐标为归一化视场；横坐标代表畸变，最大为0.10％，最小为-0.10％。该管镜的添加，主要校正了场曲以及畸变，为整体光学系统的成像质量提供了保证。

在优选的实施例中，第一透镜L1的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于-6.2且小于-5.1；

第二透镜L2的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于2.2且小于2.8；

第一透镜组G1的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于2.9且小于3.5；

第二透镜组G2的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于15.9且小于17.6；

第三透镜组G3的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于-4.2且小于-3.3；

第四透镜组G4的焦距与显微镜物镜的焦距比值大于10.2且小于11.9。

在优选的实施例中，显微镜物镜的数值孔径大于等于0.8且小于1。

在优选的实施例中，显微镜物镜的视场数大于等于30且小于32。

在优选的实施例中，第一透镜L1与盖玻片的间距大于等于1且小于1.5。

在优选的实施例中，第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6和第八透镜L8在光谱为546.07nm时的折射率大于1.45且小于1.53；第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6和第八透镜L8在光谱为546.07nm时的阿贝数大于78且小于91。

具体的，当显微镜物镜的放大倍率为-20x，数值孔径0.8，像方线视场为30mm，显微物镜能够使用的管镜焦距为180mm时，本发明所涉及的物镜在保证高数值孔径高分辨率的同时，像方视场增大到了30mm，实现了500nm至800nm波段的复消色差，很好地消除了球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差及轴向色差，满足平场复消色差物镜要求。其中，边缘视场最佳聚焦点于中心视场最佳聚焦点轴向差异远小于2λ/NA²，500nm至800nm波段任意两波长均达到复消色差，且轴向色差小于2λ/NA²。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大视场数的显微镜物镜，其特征在于，从物方开始依次由第一透镜、第二透镜、第一透镜组、第三透镜组和第四透镜组组成；

2.如权利要求1所述的显微镜物镜，其特征在于，还包括设置在所述第一透镜组与所述第三透镜组之间的第二透镜组；

3.如权利要求2所述的显微镜物镜，其特征在于，

所述第一透镜设置为具有负光焦度；

所述第二透镜设置为具有正光焦度；

所述第一透镜组设置为具有正光焦度的三胶合透镜组；

所述第二透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

所述第三透镜组设置为具有负光焦度的双胶合透镜组；

所述第四透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组。

4.如权利要求2所述的显微镜物镜，其特征在于，所述第四透镜组的像方还设置有管镜，用以使像方成实像；所述管镜从物方开始依次由第五透镜组、第十四透镜和第十五透镜组成；

5.如权利要求4所述的显微镜物镜，其特征在于，

所述第五透镜组设置为具有正光焦度的双胶合透镜组；

所述第十四透镜设置为具有负光焦度；

所述第十五透镜设置为具有正光焦度。

6.如权利要求3所述的显微镜物镜，其特征在于，

所述第一透镜的焦距与所述显微镜物镜的焦距比值大于-6.2且小于-5.1；

7.如权利要求4所述的显微镜物镜，其特征在于，其数值孔径大于等于0.8且小于1。

8.如权利要求4所述的显微镜物镜，其特征在于，其视场数大于等于30且小于32。

9.如权利要求4所述的显微镜物镜，其特征在于，所述第一透镜与盖玻片的间距大于等于1且小于1.5。

10.如权利要求4所述的显微镜物镜，其特征在于，所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜在光谱为546.07nm时的折射率大于1.45且小于1.53；所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜在光谱为546.07nm时的阿贝数大于78且小于91。