CN110716299A - 一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及长工作距离显微物镜，具体是一种数值孔径为0.55的大视场、长工作距离的单色显微物镜。目的是提供一种数值孔径达到0.55的大视场、长工作距离单色显微物镜，其工作于近红外波段时在中心视场为1毫米×1毫米的范围内都可达到衍射极限的分辨率，可以解决现有显微物镜工作距离小、对厚度大的光学窗片像差补偿无法补偿、工作波长范围小等问题。本发明从物方到像方依次由第一组元G1、第二组元G2和第三组元G3组成，本发明设置有光学观察窗并且光学观察窗垂轴于光轴放置时，表面平行的玻璃观察窗会引入球面像差、慧差、像散、场曲等像差，并且引入的初级球面像差为负、其大小和光学玻璃窗片的厚度成正比，其他像差和光线入射角相关。

Description

一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜

技术领域

本发明涉及长工作距离显微物镜，具体是一种数值孔径为0.55的大视场、长工作距离的单色显微物镜。

背景技术

在利用强聚焦的近红外激光形成的光镊进行单原子、单分子等单粒子样品的光学操控及极低温(液氮或液氦)环境下固体缺陷的光学检测中，为了减少环境的影响，样品通常被放置于带有光学观察窗的真空设备或者低温设备中。由于这些真空设备和低温设备中的样品距离设备外的观测元件距离较远，并且样品及结构尺度通常在亚微米量级，其荧光波长在近红外波段，若要实现对真空设备或者低温设备中的样品进行成像、分辨、操控和检测等操作，就需要一种可对真空设备或者低温设备内样品进行观测的高分辨长工作距离显微物镜系统。

一般的高分辨(数值孔径大于0.3)的显微物镜的工作距离都很小，如实验室常用的显微镜系统，其物镜的工作距离只有几毫米量级，只适用于较近距离的平面样品片的观测。真空设备或者低温设备中样品放置的空间位置通常和设备外的成像系统之间的距离在5毫米以上，因此一般显微物镜不能完成真空设备或者低温设备中的样品操控和检测。商用长工作距离物镜虽然可满足长工作距离的要求，但是此类物镜只对特定厚度的薄玻璃窗片(一般为1毫米以下)进行了像差补偿，而真空设备或者低温设备的光学观察窗片较厚并且不同设备的观察窗窗片厚度不一(一般为2-10毫米)，因此商用长工作距离物镜也不能满足此类用途。

发明内容

本发明的目的是提供一种数值孔径达到0.55的大视场、长工作距离单色显微物镜，其工作于近红外波段时在中心视场为1毫米×1毫米的范围内都可达到衍射极限的分辨率，可以解决现有显微物镜工作距离小、对厚度大的光学窗片像差补偿无法补偿、工作波长范围小等问题。并且此显微物镜结构简单，采用单一玻璃材料，便于加工组装。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，从物方到像方依次由第一组元G1、第二组元G2和第三组元G3组成，第一组元G1为玻璃观察窗片P1，第二组元G2依次由第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成，具有正的光焦度；第三组元G3为第四透镜L4，具有负的光焦度；

所述的玻璃观察窗片P1为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；

所述的第一透镜L1为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；

所述的第二透镜L2为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；

所述的第三透镜L3为一个具有正光焦度的透镜，采用平凸结构，凸面朝向物方；

所述的第四透镜L4为一个具有负光焦度的透镜，弯月结构，凸面朝向物方；

采用这样的透镜结构及顺序配合能够实现透镜组整体对轴上物点成像时单色球面像差良好校正的同时，获得轴外物电的慧差、像散、畸变和场曲的良好校正，最终达到尽可能大的视场范围。

设显微镜物镜的焦距为f、第二组元G2的焦距为fG2，则它们之间应满足下式的条件：1.1≤fG2/f≤1.3；此条件式是用于确保充分的工作距离和数值孔径的条件。若低于该条件式的下值，fG2变短，则系统难以保证充分的数值孔径，并难以校正球面像差。若超过该条件式，fG2变长，无法进行有效的光线汇聚，可能增加整个系统的长度，也难以校正高视角下的像差。

设显微镜物镜的焦距为f、第三组元G3的焦距为fG3，则它们之间应满足下式的条件：-11≤fG3/f≤-5，此条件式是用于确保合适的通光口径和系统长度的条件。若低于该条件式的下值，整个系统长度将会变长；若超过该条件式的上值，则整个系统的通光口径将会变得很大，不利于像差的校正。

设第二组元G2中第一透镜L1的焦距为f1、第二透镜L2的焦距为f2、第三透镜L3的焦距为f3，则它们满足条件式：40毫米≤f1≤100毫米，45毫米≤f2≤55毫米，65毫米≤f3≤80毫米；这些条件式用于限制每个透镜的焦距，由系统整体的工作距离和数值孔径决定，利用这些条件可以实现垂直像差的良好校正；

第三组元G3的焦距fG3满足条件式：-170毫米≤fG3≤-70毫米，是由整个系统的机械要求决定的。

设光学观察窗片的厚度为D，第二组元G2和第三组元G3之间的距离为L，则它们满足以下条件式：0毫米≤D≤10毫米，20毫米≤L≤40毫米，这些条件式用于限制可使用的玻璃观察窗片的厚度及所需要的物镜第二组元G2和第三组元G3之间距离的调节范围，由整个系统的机械长度决定。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明工作距离可达15.6mm(无窗片时)。有光学观察窗并且光学观察窗垂轴于光轴放置时，表面平行的玻璃观察窗会引入球面像差、慧差、像散、场曲等像差，并且引入的初级球面像差为负、其大小和光学玻璃窗片的厚度成正比，其他像差和光线入射角相关。采用本发明提供的透镜结构，光线通过第二组元G2引入正的球面像差、第三组元G3引入负的球面像差。当存在光学窗片并且光学窗片厚度改变时各入射光线的角度不变，只会导致球差的改变。通过调整通过优化透镜L1和L4的两个球面曲率半径和第二、三组元(G2，G3)间的距离则能够调整透镜整体的球面像差和其他像差，从而实现对不同厚度的光学观察窗像差补偿进行调节优化。另外，当工作波长发生变化时，各组元引入的球面像差大小也会发生变化，同样通过调整通过优化透镜L1和L4的两个球面曲率半径和第二、三组元(G2，G3)间的距离，从而实现在不同波长工作时透镜组整体像差的优化。总之，我们的设计可以通过优化实现不同波长和不同厚度的玻璃观察窗情况下，对真空设备或者低温设备中的样品进行大视场范围的成像、分辨、光学操控和检测等操作的要求。附图2-4是本发明显微物镜在工作波长为852.1纳米、光学观察窗厚度为5、0、10毫米时的实施例对应的光学传递函数图和几何像差评价图；附图2，5，6是本发明显微物镜在光学观察窗厚度为5毫米时，工作波长分别为852.1、435.8、2325纳米时的实施例对应的光学传递函数图和几何像差评价图。通过对比可以看出根据本发明设计的显微物镜在不同单色波长和不同厚度的玻璃观察窗都实现大视场范围和高分辨率成像。

附图说明

图1是本发明显微物镜的光学系统示意图；

图2是本发明显微物镜在工作波长为852.1纳米、光学观察窗厚度为5毫米时的光学传递函数图和几何像差评价图；

图3是本发明显微物镜在工作波长为852.1纳米、光学观察窗厚度为0毫米时(无玻璃观察窗时)的光学传递函数图和几何像差评价图；

图4是本发明显微物镜在工作波长为852.1纳米、光学观察窗厚度为10毫米时的光学传递函数图和几何像差评价图；

图5是本发明显微物镜在工作波长为435.8纳米，光学观察窗厚度为5毫米时的光学传递函数图和几何像差评价图；

图6是本发明显微物镜在工作波长为2325纳米，光学观察窗厚度为5毫米时的光学传递函数图和几何像差评价图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-6所示，一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，从物方到像方依次由第一组元G1、第二组元G2和第三组元G3组成，第一组元G1为玻璃观察窗片P1，第二组元G2依次由第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成，具有正的光焦度；第三组元G3为第四透镜L4，具有负的光焦度；

所述的玻璃观察窗片P1为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所述的第一透镜L1为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第二透镜L2为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第三透镜L3为一个具有正光焦度的透镜，采用平凸结构，凸面朝向物方；所述的第四透镜L4为一个具有负光焦度的透镜，弯月结构，凸面朝向物方；设显微镜物镜的焦距为f、第二组元G2的焦距为fG2，则它们之间应满足下式的条件：fG2/f＝1.1；

设显微镜物镜的焦距为f、第三组元G3的焦距为fG3，则它们之间应满足下式的条件：fG3/f＝-11。

设第二组元G2中第一透镜L1的焦距为f1、第二透镜L2的焦距为f2、第三透镜L3的焦距为f3，则它们满足条件式：f1＝40毫米，f2＝45毫米，f3＝65毫米；第三组元G3的焦距fG3满足条件式：fG3＝-170毫米。

设光学观察窗片的厚度为D，第二组元G2和第三组元G3之间的距离为L，则它们满足以下条件式：D＝0毫米，L＝20毫米。

实施例2

如图1-6所示，一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，从物方到像方依次由第一组元G1、第二组元G2和第三组元G3组成，第一组元G1为玻璃观察窗片P1，第二组元G2依次由第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成，具有正的光焦度；第三组元G3为第四透镜L4，具有负的光焦度；

所述的玻璃观察窗片P1为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所述的第一透镜L1为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第二透镜L2为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第三透镜L3为一个具有正光焦度的透镜，采用平凸结构，凸面朝向物方；所述的第四透镜L4为一个具有负光焦度的透镜，弯月结构，凸面朝向物方；设显微镜物镜的焦距为f、第二组元G2的焦距为fG2，则它们之间应满足下式的条件：fG2/f＝1.3；设显微镜物镜的焦距为f、第三组元G3的焦距为fG3，则它们之间应满足下式的条件：fG3/f＝-5。

设第二组元G2中第一透镜L1的焦距为f1、第二透镜L2的焦距为f2、第三透镜L3的焦距为f3，则它们满足条件式：f1＝100毫米，f2＝55毫米，f3＝80毫米；第三组元G3的焦距fG3满足条件式：fG3＝-70毫米。

设光学观察窗片的厚度为D，第二组元G2和第三组元G3之间的距离为L，则它们满足以下条件式：D＝10毫米，L＝40毫米。

实施例3

如图1-6所示，一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，从物方到像方依次由第一组元G1、第二组元G2和第三组元G3组成，第一组元G1为玻璃观察窗片P1，第二组元G2依次由第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成，具有正的光焦度；第三组元G3为第四透镜L4，具有负的光焦度；

所述的玻璃观察窗片P1为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；所述的第一透镜L1为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第二透镜L2为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；所述的第三透镜L3为一个具有正光焦度的透镜，采用平凸结构，凸面朝向物方；所述的第四透镜L4为一个具有负光焦度的透镜，弯月结构，凸面朝向物方；设显微镜物镜的焦距为f、第二组元G2的焦距为fG2，则它们之间应满足下式的条件：fG2/f＝1.2；设显微镜物镜的焦距为f、第三组元G3的焦距为fG3，则它们之间应满足下式的条件：fG3/f＝-8。

设第二组元G2中第一透镜L1的焦距为f1、第二透镜L2的焦距为f2、第三透镜L3的焦距为f3，则它们满足条件式：f1＝80毫米，f2＝50毫米，f3＝70毫米；第三组元G3的焦距fG3满足条件式：fG3＝-100毫米。

设光学观察窗片的厚度为D，第二组元G2和第三组元G3之间的距离为L，则它们满足以下条件式：D＝5毫米，L＝30毫米。

表1数据为当玻璃观察窗为5毫米厚的石英玻璃、工作波长是852.1纳米时，玻璃观察窗及物镜从左到右的光学参数和特征数据如表中所示。

表1

从表1中可以看出，各个光学元件的厚度和面的曲率半径都在合理范围之内，普通光学加工可即可保证镜片的精度；同时所采用的玻璃为常规高折射率、低色散的重火石玻璃，并且四种透镜都为同种普通玻璃材料，可以极大降低加工成本。图2是本发明的一个实施例在852.1纳米、石英玻璃观察窗的厚度为5毫米时对应的光学传递函数图、几何像差和波像差评价图。从图中可以看出其球形像差、像散和畸变都得到了很好的控制和校正；其光学传递函数在物方大小为1毫米×1毫米内都趋近于衍射极限，表明在此范围内该显微物镜都能对被观察样品进行高分辨的成像和观测。

对于不同厚度的石英玻璃观察窗，本发明可以通过优化透镜L1和L4的两个球面曲率半径和第二组元G2和第三组元G3之间距离进行校正。表2和表3为本发明在玻璃观察窗厚度为0mm和10mm时对应的实施例的光学参数和特征数据。其工作波长都为852.1纳米。

表2

表3

从表2和表3中可以看出，当玻璃观察窗厚度为0毫米时透镜L1和L4两个球面的曲率半径都相应优化减小，同时第二组元G2和第三组元G3之间距离L被调整为29.5毫米；当玻璃观察窗厚度为10毫米时透镜L1和L4两个球面的曲率半径都相应优化增大、同时第二组元G2和第三组元G3之间距离L被调整为37.4毫米。这两种情况下此物镜在852纳米工作时的光学传递函数图和几何像差评价图如图3和图4所示。从图中可以看出其球形像差、像散和畸变都得到了很好的控制和校正；其光学传递函数在物方大小为1毫米×1毫米内都趋近于衍射极限，表明在这两种实施例中该显微物镜都能对被观察样品进行高分辨的成像和观测。

表4

表5

对于不同工作波长，本发明也可通过优化透镜L1和L4的两个球面曲率半径和第二组元G2和第三组元G3之间距离进行校正。表4和表5分别为本发明在435.8纳米和2325.4纳米的工作波长时优化后的实施例的光学参数和特征数据。其所补偿的玻璃观察窗的厚度都为5毫米。

从表4和表5中可以看出，当工作波长为435.8纳米时透镜L1和L4两个球面的曲率半径都相应优化减小，同时第二组元G2和第三组元G3之间距离L被调整为26.25毫米；当工作波长为2325.4纳米时透镜L1和L4两个球面的曲率半径都相应优化增大、同时第二组元G2和第三组元G3之间距离L被调整为39.3毫米。这两种情况下此物镜5毫米的石英观察窗工作时的光学传递函数图和几何像差评价图如图5和图6所示，从图中可以看出其球形像差、像散和畸变都得到了很好的控制和校正；工作波长为435.8纳米对应的实施例光学传递函数在物方大小为0.5毫米×0.5毫米内都趋近于衍射极限，而工作波长为2325.4纳米对应的实施例光学传递函数在物方大小为1毫米×1毫米内都趋近于衍射极限。表明在这两种实施例中该显微物镜都能对被观察样品进行高分辨的成像和观测。在可见光范围工作时其视场会略有减小。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，其特征在于：从物方到像方依次由第一组元(G1)、第二组元(G2)和第三组元(G3)组成，第一组元(G1)为玻璃观察窗片(P1)，第二组元(G2)依次由第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)组成，具有正的光焦度；第三组元(G3)为第四透镜(L4)，具有负的光焦度；

所述的玻璃观察窗片(P1)为两面平行的玻璃板，垂直于光轴放置；

所述的第一透镜(L1)为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；

所述的第二透镜(L2)为一个具有正光焦度的透镜，采用弯月结构，凹面朝向物方；

所述的第三透镜(L3)为一个具有正光焦度的透镜，采用平凸结构，凸面朝向物方；

所述的第四透镜(L4)为一个具有负光焦度的透镜，弯月结构，凸面朝向物方；

设显微镜物镜的焦距为f、第二组元(G2)的焦距为fG2，则它们之间应满足下式的条件：1.1≤fG2/f≤1.3；

设显微镜物镜的焦距为f、第三组元(G3)的焦距为fG3，则它们之间应满足下式的条件：-11≤fG3/f≤-5。

2.根据权利要求2所述的一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，其特征在于：设第二组元(G2)中第一透镜(L1)的焦距为f1、第二透镜(L2)的焦距为f2、第三透镜(L3)的焦距为f3，则它们满足条件式：40毫米≤f1≤100毫米，45毫米≤f2≤55毫米，65毫米≤f3≤80毫米；

第三组元(G3)的焦距fG3满足条件式：-170毫米≤fG3≤-70毫米。

3.根据权利要求2所述的一种数值孔径为0.55的长工作距离显微物镜，其特征在于：设光学观察窗片的厚度为D，第二组元(G2)和第三组元(G3)之间的距离为L，则它们满足以下条件式：0毫米≤D≤10毫米，20毫米≤L≤40毫米。

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