CN110764226A - 一种大视场微型显微物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场微型显微物镜，沿其光轴方向从物端到像端依次包括：物面、具有正屈亮度的第一透镜、具有正屈亮度的第二透镜、第三透镜、具有正屈亮度的第四透镜、具有负屈亮度的第五透镜、具有负屈亮度的第六透镜以及成像面；由物面发射的光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后成像于成像面上。本发明提供的大视场微型显微物镜的尺寸小，有效成像视场可达570μm。

Description

一种大视场微型显微物镜

技术领域

本发明属于医学影像领域，更具体地，涉及一种大视场微型显微物镜及包含该微型物镜的探头。

背景技术

消化道肿瘤具有高发病率、高致死率的特点。而消化道肿瘤在我国发病率及致死率则更为突出。消化道肿瘤通过早期诊断和治疗可以明显提高患者的生存期。消化道病变的早期表现会首先反映在消化道黏膜细胞的微观结构和形态上，然后逐步在宏观形态上表现出来。因此，具有细胞水平高分辨率检测方法对消化道癌症的早期诊断至关重要。

共聚焦内窥镜是目前最先进的内窥成像技术之一，具备微米量级的光学分辨率，可在普通内镜检查的同时对消化道黏膜细胞和组织形态进行实时、精准的观察，为消化道疾病的早期诊断提供有力工具。其中微型物镜探头是共聚焦内窥镜的关键技术之一，其用于将单根光纤出射的发散光聚焦在样品上激发荧光，同时收集样品荧光并耦合进光纤束的单根光纤。

对现有专利文献检索发现，中国发明申请号为：CN201710639015.6，公开日为2017年10月27日的专利自述为：“一种用于消化道内的微型显微物镜，属于医学影像领域。涉及一种用于消化道内的微型显微物镜，其外径为3.5mm，且沿其光轴方向从物端到像端依次包括第一至第五透镜，且第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜满足下列条件式：R1F＞0，R1R＜0；R2F＞R2R＞0；R3F＞0，R3R＜0；R4F＞R4R＞0；R5F＞0，R5R＜0，第一透镜为平凸透镜，第二透镜和第三透镜为双胶合透镜，第二像端表面和第三物端表面贴合，第四透镜为非球面弯月透镜。该用于消化道内的微型显微物镜尺寸小，可与荧光共聚焦内窥镜配合使用，通过常规肠镜的工作通道进入人体进行肠道疾病的临床诊断，且能满足诊断时的各种光学性能。该微型显微物镜的有效视场为360μm。”

其不足之处在于：(1)该微型显微物镜外径为3.5mm，大于常规胃镜的工作通道，无法实现上消化道的观察；(2)其有效视场为360μm，无法实现更大范围，如500μm的组织成像。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能与常规胃镜工作通道兼容的小尺寸，有效视场可达570μm，且能满足光学性能的大视场微型显微物镜及包含该微型物镜的探头。

本发明提供了一种大视场微型显微物镜，沿其光轴方向从物端到像端依次包括：物面、具有正屈亮度的第一透镜、具有正屈亮度的第二透镜、第三透镜、具有正屈亮度的第四透镜、具有负屈亮度的第五透镜、具有负屈亮度的第六透镜以及成像面；由物面发射的光线依次经过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜后成像于所述成像面上；微型显微物镜可在与常规胃镜活检通道兼容的情况下实现有效视场大于500μm的组织成像；本发明采用正负透镜搭配，球面镜与非球面镜组合的方式，在最后一个透镜使用非球面镜片校正像差，在保证小尺寸的同时实现有效成像视场达570μm。

更进一步地，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述第六透镜满足下列条件：R1F＞0，R1R＜0；R2F＜R2R＜0；R3F＞R3R＞0；R4F＞0，R4R＜0；R5F＞R5R＞0；R6F＜R6R＜0；R7F＞R7R＞0；其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面的曲率半径；R2F为所述第二透镜的第二物端表面的曲率半径；R2R为所述第二透镜的第二像端表面的曲率半径；R3F为所述第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三物端表面的曲率半径；R3R为所述第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三像端表面的曲率半径；R4F为所述第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四物端表面的曲率半径；R4R为所述第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四像端表面的曲率半径；R5F为所述第四透镜的第五物端表面的曲率半径；R5R为所述第四透镜的第五像端表面的曲率半径；R6F为所述第五透镜的第六物端表面的曲率半径；R6R为所述第五透镜的第六像端表面的曲率半径；R7F为所述第六透镜的第七物端表面的曲率半径；R7R为所述第六透镜的第七像端表面的曲率半径。

其中，第一透镜具有第一物端表面和第一像端表面，所述第二透镜具有第二物端表面和第二像端表面；所述第三透镜具有第三物端表面、第三像端表面、第四物端表面和第四像端表面，所述第三像端表面与第四物端表面紧贴重合；所述第四透镜具有第五物端表面和第五像端表面，所述第五透镜具有第六物端表面和第六像端表面，所述第六透镜具有第七物端表面和第七像端表面。

更进一步地，第一透镜为平凸透镜，且第一物端表面为平面。第三透镜为双胶合透镜，包括一个具有负屈亮度的透镜和一个具有正屈亮度的透镜。第六透镜为非球面弯月透镜。物面为非球面，物面的材料为SEAWATER，与消化道组织成像时的水浸环境相似。

本发明提供的大视场微型显微物镜采用正负透镜搭配，球面镜与非球面镜组合的方式，在最后一个透镜使用非球面镜片校正像差，在保证小尺寸的同时实现有效成像视场达570μm。该大视场微型显微物镜可与光纤束粘合形成光纤内窥探头，并与荧光共聚焦内窥镜配合使用，通过常规胃镜的工作通道进入人体进行食管、胃部疾病的临床诊断，且能满足诊断时的各种光学性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种大视场微型显微物镜的光路结构示意图。

图2为图1的像方点列图。

图3为图1在像方径向十二个视场处的光程差曲线。

图4为图1的像方场曲曲线和畸变曲线，其中(a)为像方场曲曲线，显示的是作为视场坐标函数的当前像平面到近轴焦面的距离，(b)为畸变曲线，其畸变值定义为实际主光线高度减去近轴主光线高度值，然后被近轴主光线高度值相除，再乘以100。

图5为图1的MTF曲线和色差焦移曲线，其中(a)为十二个不同位置的子午面和弧矢面的MTF曲线，并给出衍射极限条件下的MTF曲线进行对比，(b)为色差焦移曲线，表示的是该大视场微型显微物镜工作波长范围内不同波长的光近焦距位移。

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。

本发明提供的大视场微型显微物镜，采用正负透镜搭配，球面镜与非球面镜组合的方式，同时最后一个透镜使用非球面镜片校正像差，在保证通光孔径小于2mm的前提下，常规的外壳的厚度为0.2mm，本发明提供的大视场微型显微物镜外径2.6mm，沿其光轴方向从物端到像端依次包括：一个物面、一个具有正屈亮度的第一透镜、一个具有正屈亮度的第二透镜、一个由具有负屈亮度的透镜和一个具有正屈亮度的透镜组成的第三透镜、一个具有正屈亮度的第四透镜、一个具有负屈亮度的第五透镜、一个具有负屈亮度的第六透镜、以及一成像面，由物面发射的光线依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜后，最后成像于成像面上。第一透镜包括第一物端表面及第一像端表面，第二透镜包括第二物端表面及第二像端表面，第三透镜包括第三物端表面、第三像端表面、第四物端表面及第四像端表面，第三像端表面与第四物端表面紧贴重合；第四透镜包括第五物端表面及第五像端表面，第五透镜包括第六物端表面及第六像端表面，第六透镜包括第七物端表面及第七像端表面，且第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜满足下列条件式：R1F＞0，R1R＜0；R2F＜R2R＜0；R3F＞R3R＞0；R4F＞0，R4R＜0；R5F＞R5R＞0；R6F＜R6R＜0；R7F＞R7R＞0；其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面的曲率半径；R1R为第一透镜的第一像端表面的曲率半径；R2F为第二透镜的第二物端表面的曲率半径；R2R为第二透镜的第二像端表面的曲率半径；R3F为第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三物端表面的曲率半径；R3R为第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三像端表面的曲率半径；R4F为第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四物端表面的曲率半径；R4R为第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四像端表面的曲率半径；R5F为第四透镜的第五物端表面的曲率半径；R5R为第四透镜的第五像端表面的曲率半径；R6F为第五透镜的第六物端表面的曲率半径；R6R为第五透镜的第六像端表面的曲率半径；R7F为第六透镜的第七物端表面的曲率半径；R7R为第六透镜的第七像端表面的曲率半径，第一透镜为平凸透镜，第一物端表面为平面，第三透镜为双胶合透镜，第三像端表面和第四物端表面贴合，第六透镜为非球面弯月透镜。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种大视场微型显微物镜，放大率为2.18，此时根据光纤束的通光孔径可以计算出该微型显微物镜的有效视场为570μm。由于通光孔径小于2mm，常规的外壳的厚度为0.2mm，因此由其做成的带外壳的探头的直径会小于2.6mm。

沿其光轴方向从物端到像端依次包括：一个物面、一个具有正屈亮度的第一透镜10、一个具有正屈亮度的第二透镜20、一个由具有负屈亮度的透镜30和一个具有正屈亮度的透镜40组成的第三透镜、一个具有正屈亮度的第四透镜50、一个具有负屈亮度的第五透镜60、一个具有负屈亮度的第六透镜70、以及一成像面80，由物面发射的光线依次经过所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜后，最后成像于所述成像面上。

该物面设定为非球面，与组织的不规则性相匹配。材料设定为SEAWATER，符合组织成像时水浸环境的要求。

第一透镜10为平凸透镜，方便与组织直接接触，由于尺寸变小，选用了较高折射率的玻璃材料H-LAF50B，使得光束发生大角度偏折。第一透镜10包括一个第一物端表面S11及一个第一像端表面S12，分别对应物面出射光的第一个接收面和第一个出射面。

第二透镜20为凸透镜，且其材料为H-LAK3。与第一透镜10搭配，将整体光路中光束限制在微型显微物镜的有效通光孔径内。第二透镜20包括一个第二物端表面S21及一个第二像端表面S22，分别对应物面出射光的第二个接收面和第二个出射面。

第三透镜为由透镜30和透镜40组合形成的双胶合透镜，分别由高折射率高色散系数的H-ZF72A和高折射率低色散系数的H-ZLAF89L配合校正色差；透镜30包括一个第三物端表面S31及一个第三像端表面S32，分别对应物面出射光的第三个接收面和第三个出射面；透镜40包括一个第四物端表面S41及一个第四像端表面S42，分别对应物面出射光的第四个接收面和第四个出射面；第三像端表面S32与第四物端表面S41紧贴重合。

第四透镜50为凸透镜，且其材料为H-LAK4L，第四透镜50包括一个第五物端表面S51及一个第五像端表面S52，分别对应物面出射光的第五个接收面和第五个出射面。

第五透镜60为凹透镜，且其材料为H-ZF39，第五透镜60包括一个第六物端表面S61及一个第六像端表面S62，分别对应物面出射光的第六个接收面和第六个出射面。第四透镜50与第五透镜60采用折射率相近而色散系数相差较大的两种材料，H-LAK4L和H-ZF39，同时采用正负透镜组合的结构，可抵消部分正负像差，有利于校正像差。

第六透镜70为非球面弯月透镜，可用于校正球差和场曲，选用的材料为D-ZLAF67，为非球面透镜常用材料，具有高热抗性和对光高透过率等优点。第六透镜包括一个第七物端表面S71及一个第七像端表面S72，分别对应物面出射光的第七个接收面和第七个出射面。同时非球面透镜作为该微型显微物镜的最后一个透镜，主要用于整体像差校正。

第一物端表面S11为平面，方便与组织直接接触。第一像端表面S12、第二像端表面S22、第三物端表面S31、第四物端表面S41、第四像端表面S42、第五物端表面S51、第六像端表面S62和第七物端表面S71均为凸面。第二物端表面S21、第三像端表面S32、第五像端表面S52、第六物端表面S61和第七像端表面S72均为凹面。

即该大视场微型显微物镜满足下列条件式：

(1)R1F＞0，R1R＜0；

(2)R2F＜R2R＜0；

(3)R3F＞R3R＞0；

(4)R4F＞0，R4R＜0；

(5)R5F＞R5R＞0；

(6)R6F＜R6R＜0；

(7)R7F＞R7R＞0；

其中，R1F为所述第一透镜10的第一物端表面S11的曲率半径；R1R为第一透镜10的第一像端表面S12的曲率半径；R2F为第二透镜20的第二物端表面S21的曲率半径；R2R为第二透镜20的第二像端表面S22的曲率半径；R3F为透镜30的第三物端表面S31的曲率半径；R3R为透镜30的第三像端表面S32的曲率半径；R4F为透镜40的第四物端表面S41的曲率半径；R4R为透镜40的第四像端表面S42的曲率半径；R5F为所述第四透镜50的第五物端表面S51的曲率半径；R5R为第四透镜50的第五像端表面S52的曲率半径；R6F为第五透镜60的第六物端表面S61的曲率半径；R6R为第五透镜60的第六像端表面S62的曲率半径；R7F为第六透镜70的第七物端表面S71的曲率半径；R7R为第六透镜70的第七像端表面S72的曲率半径。

该外径为2.6mm的微型显微物镜的见表1，其中a表示非球面。如下：外径2.6mm微型显微物镜具体参数

表1

非球面镜片的非球面系数见表2，其中非球面12的圆锥系数为-0.546，无其他非球面系数。非球面13的非球面系数如下：

表2

图2为像方点列图，图中给出了像方中心、69μm、138μm、208μm、278μm、349μm、418μm、485μm、550μm、581μm、591μm和620μm十二个不同位置的弥散斑形态及均方根尺寸。艾里斑半径为1.272μm，所有视场弥散斑均方根尺寸均接近艾里斑尺寸，可认为该设计达到近似衍射极限。所有视场弥散斑均方根尺寸均小于4μm，即小于光纤束单根光纤的直径，满足该微型显微物镜的要求。

图3是该大视场微型显微物镜在像方径向十二个视场处的光程差曲线。光程差曲线表征的是光线的光程和主光线的光程之差。每个视场两张图分别代表子午面和弧矢面，横坐标为归一化的入瞳坐标。理想情况下，光程差值应该为0，即曲线与横坐标轴重合。然而由于像差的存在，光程差曲线呈现不同的状态。在本设计中，550nm波长对应的曲线光程差最大，在光瞳边缘处最大可达1.86λ。然而本设计对应的波前像差均方根值为0.04λ，小于0.25λ，可认为该微型显微物镜近似衍射极限。

图4为该大视场微型显微物镜的像方场曲曲线和畸变曲线，从图中可以分析该设计存在的三种像差：场曲、像散和畸变。根据场曲曲线可知，三种波长情况下，场曲最大值为9.03μm，像散最大值为10.53μm。换算到物方场曲最大值为2.74μm，像散最大值为3.19μm，小于荧光共聚焦内窥镜的轴向分辨率。畸变曲线中，畸变最大值为1.25％，小于人眼可分辨畸变，不影响成像。图4的场曲和畸变示意图说明该设计很好地校正了场曲、像散和畸变。

图5为该大视场微型显微物镜的MTF曲线和色差焦移曲线。其中图(a)为十二个不同位置的子午面和弧矢面的MTF曲线，并给出衍射极限条件下的MTF曲线进行对比。24条MTF曲线均与衍射极限条件下MTF曲线存在一定差距，在128lp/mm处MTF均大于0.6，满足大于0.5的设计指标。图(b)色差焦移曲线中最大色差焦移为14.52μm，物方焦距最大位移为4.4μm，小于共聚焦系统的轴向分辨率，因此可认为该设计很好地校正了色差。

本领域的技术人员容易理解，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 (7)

1.一种大视场微型显微物镜，其特征在于，沿其光轴方向从物端到像端依次包括：物面、具有正屈亮度的第一透镜、具有正屈亮度的第二透镜、第三透镜、具有正屈亮度的第四透镜、具有负屈亮度的第五透镜、具有负屈亮度的第六透镜以及成像面；

由物面发射的光线依次经过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜后成像于所述成像面上。

2.如权利要求1所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述第六透镜满足下列条件：R1F＞0，R1R＜0；R2F＜R2R＜0；R3F＞R3R＞0；R4F＞0，R4R＜0；R5F＞R5R＞0；R6F＜R6R＜0；R7F＞R7R＞0；

其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面的曲率半径；R2F为所述第二透镜的第二物端表面的曲率半径；R2R为所述第二透镜的第二像端表面的曲率半径；R3F为所述第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三物端表面的曲率半径；R3R为所述第三透镜中具有负屈亮度的透镜的第三像端表面的曲率半径；R4F为所述第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四物端表面的曲率半径；R4R为所述第三透镜中具有正屈亮度的透镜的第四像端表面的曲率半径；R5F为所述第四透镜的第五物端表面的曲率半径；R5R为所述第四透镜的第五像端表面的曲率半径；R6F为所述第五透镜的第六物端表面的曲率半径；R6R为所述第五透镜的第六像端表面的曲率半径；R7F为所述第六透镜的第七物端表面的曲率半径；R7R为所述第六透镜的第七像端表面的曲率半径。

3.如权利要求1或2所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述第一透镜具有第一物端表面和第一像端表面，

所述第二透镜具有第二物端表面和第二像端表面；

所述第三透镜具有第三物端表面、第三像端表面、第四物端表面和第四像端表面，所述第三像端表面与第四物端表面紧贴重合；

所述第四透镜具有第五物端表面和第五像端表面，

所述第五透镜具有第六物端表面和第六像端表面，

所述第六透镜具有第七物端表面和第七像端表面。

4.如权利要求3所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述第一透镜为平凸透镜，且所述第一物端表面为平面。

5.如权利要求3所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述第三透镜为双胶合透镜，包括一个具有负屈亮度的透镜和一个具有正屈亮度的透镜。

6.如权利要求3-5任一项所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述第六透镜为非球面弯月透镜。

7.如权利要求1-6任一项所述的大视场微型显微物镜，其特征在于，所述物面为非球面，所述物面的材料为SEAWATER。

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