CN110045492B - 宽谱段大数值孔径超高通量的显微物镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，光学系统从物平面到像平面沿其光轴方向依次包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，共二十片透镜；第一透镜组为折反射透镜组，通过两次折叠光路将物平面发射出的光线成像到一次像面，第一透镜组具有正光焦度；第二透镜组、第三透镜组将穿过一次像面的光线成像到二次像面，第二透镜组、第三透镜组均具有正光焦度；第四透镜组将穿过二次像面的光线成像到像平面。本申请光学系统结构尺寸较小，同时成像谱段宽，视场角大。
Description
技术领域
本发明涉及一种显微物镜光学系统，更具体的，涉及一种宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统。
背景技术
基因测序设备作为纳米、生物和信息三大科技的交汇点，集中体现了人们采用最先进的科学技术来探索生命信息，成为当今经济持续发展、国家安全稳定的重要保证。基因测序是一个新兴行业，处于快速发展阶段。其中关键技术超高通量显微物镜成为限制基因测序仪国产化的瓶颈技术(测序通量是指基因测序设备在一定时间内获得的数据输出量，是评价测序技术先进与否的重要指标之一，更高的测序通量也意味着测序成本的降低)，超高通量基因测序仪中所需显微物镜在平面空间尺度和空间分辨率方面均提出了较高要求，这就需要显微物镜需要在具备大视场的同时兼顾高分辨。而在光学系统的设计中宽场和高分辨是此消彼长的，宽则不精，精则不宽是目前超高通量显微物镜的遇到的最大难点。
物镜作为高通量基因测序仪的核心光学元件，是实现高通量乃至超高通量基因测序的关键，同时，目前生物医学领域热门的高通量基因测序、脑神经元检测、癌细胞发展监测等研究方向，均对宽视场、高分辨的光学系统有着迫切需求。
当前国际上可以查询到多个与本专利结构形式相近的浸液式大数值孔径基因测序镜头：专利US20080247036，具体见图1。此光学镜头只有7片透镜，采用BK7和Caf2两种透镜材料校正色差，在可见光480nm-660nm谱段范围内成像，系统数值孔径为1.2，但成像视场只有0.25mm。
专利US7180658，具体见图2。此专利光学镜头含有14片透镜，采用熔石英和calciumfluoride两种材料，在紫外波段297nm-313nm谱段范围内成像，系统数值孔径约为0.9，成像视场只有0.28mm；系统出瞳在系统内部，后接筒镜尺寸较大导致整个系统结构尺寸较大。
现有技术的最大缺点就是光学系统整体长度过长，同时采用多种光学材料校正系统色差，不仅设计难度较大，而且在量产阶段多种材料难以控制一致性；同时当前物镜成像谱段窄，成像视场角小。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，提供一种宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，所述光学系统从物平面到像平面沿其光轴方向依次包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，共二十片透镜；
所述第一透镜组为折反射透镜组，通过两次折叠光路将物平面发射出的光线成像到一次像面，所述第一透镜组具有正光焦度；
所述第二透镜组、第三透镜组将穿过一次像面的光线成像到二次像面，所述第二透镜组、第三透镜组均具有正光焦度；
所述第四透镜组将穿过二次像面的光线成像到像平面。
进一步的，所述第一透镜组包括三片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为凸向像平面的平凸正透镜、弯月负透镜、弯月负透镜。
进一步的，所述第二透镜组包括四片透镜，依次为弯月正透镜、凸向像平面的平凸正透镜、弯月正透镜、弯月正透镜。
进一步的，所述第三透镜组包括五片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为双凸正透镜、弯月负透镜、双凸正透镜、凸向物平面的平凸正透镜、弯月负透镜。
进一步的，所述第四透镜组包括八片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为弯月正透镜、弯月正透镜、弯月正透镜、双凹负透镜、弯月正透镜、弯月正透镜、弯月正透镜、凸向物平面的平凸正透镜。
进一步的，在所述第二透镜组和第三透镜组之间设置光阑。
进一步的，所述光学系统的物平面位置采用浸液方式。
进一步的，所述光学系统数值孔径为小于等于1.0，成像线视场为小于等于2.8mm。
进一步的，所述光学系统成像谱段为300nm-800nm。
进一步的，所述光学系统为同一种材料制成，光学系统的材料采用熔石英材料。
本发明的有益效果在于：
(1)本申请的显微物镜光学系统采用折反射式光学方案，折叠光路，将系统出瞳置于系统外，减小了后接筒镜系统尺寸；
(2)现有光学方案需采用多种光学材料来校正系统色差；而本申请采用一种光学材料，方便校正。
(3)本申请的系统数值孔径为1.0条件下，成像线视场增大到2.8mm，各项指标均优于现有技术方案。
附图说明
图1为背景技术中专利1光学镜头的结构示意图；
图2为背景技术中专利2光学镜头的结构示意图；
图3为本申请一个实施例的显微物镜光学系统结构示意图。
1、平凸正透镜；2、弯月负透镜；3、弯月负透镜；4、弯月正透镜；
5、平凸正透镜；6、弯月正透镜；7、弯月正透镜；8、双凸正透镜；
9、弯月负透镜；10、双凸正透镜；11、平凸正透镜；12、弯月负透镜；
13、弯月正透镜； 14、弯月正透镜； 15、弯月正透镜；
16、双凹负透镜； 17、弯月正透镜； 18、弯月正透镜；
19、弯月正透镜； 20、平凸正透镜；
21、光阑；22、出瞳；23、一次像面；24、二次像面。
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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。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中的术语“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。
实施例：
宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，光学系统从物平面到像平面沿其光轴方向依次包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，共二十片透镜；
第一透镜组为折反射透镜组，通过两次折叠光路将物平面发射出的光线成像到一次像面，第一透镜组具有正光焦度；
第二透镜组、第三透镜组将穿过一次像面的光线成像到二次像面，第二透镜组、第三透镜组均具有正光焦度；
第四透镜组将穿过二次像面的光线成像到像平面。
第一透镜组包括三片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为凸向像平面的平凸正透镜1、弯月负透镜2、弯月负透镜3。
第二透镜组包括四片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为弯月正透镜4、凸向像平面的平凸正透镜5、弯月正透镜6、弯月正透镜7。
第三透镜组包括五片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为双凸正透镜8、弯月负透镜9、双凸正透镜10、凸向物平面的平凸正透镜11、弯月负透镜12。
第四透镜组包括八片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为弯月正透镜13、弯月正透镜14、弯月正透镜15、双凹负透镜16、弯月正透镜17、弯月正透镜18、弯月正透镜19、凸向物平面的平凸正透镜20。
在第二透镜组和第三透镜组之间设置光阑21。
光学系统数值孔径为小于等于1.0，成像线视场为小于等于2.8mm。
光学系统成像谱段为300nm-800nm。
光学系统为同一种材料制成，光学系统的材料采用熔石英材料。
本发明采用折反射式光学系统形式，利用2次折叠光路，将系统出瞳外移到系统外，并有效校正系统高级球差，控制了与视场有关的像散、场曲及初高级彗差，使得光学系统总长度小于230mm，整个光学系统采用同种光学材料，成像谱段可以达到300nm-800nm，结合后端浸液，系统数值孔径可以达到1.0，系统成像线视场可以达到2.8mm。
按照正向光路设计，物平面采用浸液方式，增大系统数值孔径；经过第一透镜组成像到一次像面23位置，有效减小弯月负透镜2中心遮拦；经过第二透镜组和第三透镜组成像到二次像面24位置，系统孔径光阑在第三透镜组和第二透镜组之间；第四透镜组的作用是将二次像面的光准直成平行光发射到系统外，整体降低了第二透镜组和第三透镜组镜片口径，同时将系统出瞳外移，光学系统出瞳22在第四透镜组的凸向物平面的平凸正透镜20左侧27.3mm处，有效降低后续光学系统整体光学尺寸。
表1给出了本申请实施例中光学系统的基本参数，具体参数请参考表1。
表2给出了本申请实施例中光学系统每片镜片的具体参数，具体参数请参考表2。表2中的表面序号按照物平面到出瞳的方向顺序计数，如第一透镜组的平凸正透镜1朝向物平面的表面为序号1，朝向出瞳的表面为序号2，弯月负透镜2朝向物平面的表面为序号3，朝向出瞳的表面为序号4，其他镜面序号以此类推。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，所述光学系统从物平面到像平面沿其光轴方向依次包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，共二十片透镜；
所述第一透镜组为折反射透镜组，通过两次折叠光路将物平面发射出的光线成像到一次像面，所述第一透镜组具有正光焦度；
所述第二透镜组、第三透镜组将穿过一次像面的光线成像到二次像面，所述第二透镜组、第三透镜组均具有正光焦度；
所述第四透镜组将穿过二次像面的光线成像到像平面；
所述第一透镜组包括三片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为凸向像平面的平凸正透镜(1)、弯月负透镜(2)、弯月负透镜(3)；
所述第二透镜组包括四片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为弯月正透镜(4)、凸向像平面的平凸正透镜(5)、弯月正透镜(6)、弯月正透镜(7)；
所述第三透镜组包括五片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为双凸正透镜(8)、弯月负透镜(9)、双凸正透镜(10)、凸向物平面的平凸正透镜(11)、弯月负透镜(12)；
所述第四透镜组包括八片透镜，从物平面到像平面沿光轴方向依次为弯月正透镜(13)、弯月正透镜(14)、弯月正透镜(15)、双凹负透镜(16)、弯月正透镜(17)、弯月正透镜(18)、弯月正透镜(19)、凸向物平面的平凸正透镜(20)。
2.如权利要求1所述的宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，在所述第二透镜组和第三透镜组之间设置光阑(21)。
3.如权利要求1所述的宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，所述光学系统的物平面位置采用浸液方式。
4.如权利要求1所述的宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，所述光学系统的数值孔径小于等于1.0，成像线视场为小于等于2.8mm。
5.如权利要求1所述的宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，所述光学系统的成像谱段为300nm-800nm。
6.如权利要求1所述的宽谱段大数值孔径的显微物镜光学系统，其特征在于，所述光学系统为同一种材料制成，光学系统的材料采用熔石英材料。
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