CN110927955B - 一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，包括具有负光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜，沿光轴从物侧到像侧依次顺序排列。该耦合物镜通过各透镜之间的配合严格控制光线的入射与出射角度，对激发光及荧光信号进行消色差，在保证工作距大的同时使得数值孔径与光纤束数值孔径匹配。

Description

一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜

技术领域

本发明涉及探头式共聚焦内窥镜技术领域，具体而言，涉及一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜。

背景技术

探头式共聚焦显微内窥镜由两个子系统组成：共聚焦主机与共聚焦探头，前者提供光学驱动及部分荧光信号收集的功能，后者传递前者耦合过来的光学驱动，同时以柔性的方式收集荧光信号。这两个子系统之间通过耦合物镜交互作用。因为耦合物镜起着承上启下的桥梁作用，因此耦合物镜的性能、以及与整个系统的光学参数匹配十分重要。

为了适应生物标本的观察及物镜之间的转换，各类标准文件，如“GB/T 2609-2015显微镜：物镜”等国标文件规定了普通商业显微物镜的“放大率M”、“数值孔径NA”等参数，并规定了各类像差，如色差校正针对的波长。一般情况下，普通商业显微物镜针对白光消色差，而且更大的数值孔径NA对应更小的工作距。

普通商业显微物镜不适用于探头式共聚焦显微内窥镜的使用环境。首先，探头式共聚焦显微内窥镜的工作光波长包括激发光与荧光，通常至少针对488nm、520nm校正色差；其次，作为耦合物镜，其数值孔径NA不能单独设定，必须与传像光纤束的数值孔径NA匹配；第三，为了便于与传像光纤束进行耦合，耦合物镜的工作距离必须足够长，以便有足够的空间设计保持耦合物镜与传像光纤束的同心机械结构。

因此，设计一种能针对激发光与荧光消色差、工作距大、数值孔径与光纤束数值孔径匹配、耦合性能好的耦合物镜是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，包括具有负光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜，沿光轴从物侧到像侧依次顺序排列。该耦合物镜通过各透镜之间的配合严格控制光线的入射与出射角度，能同时对激发光及荧光信号进行消色差，同时在保证工作距大的同时使得数值孔径与光纤束数值孔径匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的结构示意图；

图2为表1中的耦合物镜的色焦移曲线；

图3为表1中的耦合物镜的弥散斑均方根尺寸与归一化视场的曲线；

图4为表2中的耦合物镜的色焦移曲线；

图5为表2中的耦合物镜的弥散斑均方根尺寸与归一化视场的曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的模块可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，包括具有负光焦度的第一透镜L1、正光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3、具有正光焦度的第四透镜L4、具有正光焦度的第五透镜L5。光线依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5，最后成像在像面上。

进一步地，所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均为球面透镜。具体地，所述第三透镜为双胶合透镜，由一个双凹透镜及一个双凸透镜组成。这种结构更加方便工艺加工，简化制作工艺。各透镜的具体参数详见表1。

表1共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的具体参数(单位：mm)

其中，所述第一透镜L1的前表面曲率半径为-8.397mm、后表面曲率半径为-17.289mm，第一透镜的中心厚度T1为14.690mm、第一透镜的后表面与第二透镜的前表面的中心厚度为3.705mm，所述第一透镜的材料为H-ZLAF68B，所述第一透镜的前表面的通光孔径为5mm、后表面的通光孔径为10.89mm；

所述第二透镜L2的前表面曲率半径为-326.884mm、后表面曲率半径为-29.480mm，第二透镜的中心厚度T2为5.324mm、第二透镜的后表面与第三透镜的前表面的中心厚度为8.899mm，所述第二透镜的材料为H-ZLAF68B，所述第二透镜的前表面的通光孔径为11.69mm、后表面的通光孔径为11.97mm；

所述第三透镜L3的前表面曲率半径为-18.090mm、中间面曲率半径为15.794、后表面曲率半径为-37.249mm，前表面到中间面的中心厚度为2.386mm、中间面到后表面的中心厚度为8.418mm、后表面与第四透镜的前表面的中心厚度为2.039mm，所述第三透镜由材料为ZF51的双凹透镜及材料为H-LAF51的双凸透镜组成，所述第三透镜的前表面的通光孔径为9.85mm、中表面的通光孔径为11.09mm、后表面的通光孔径为11.77mm；

所述第四透镜L4的前表面曲率半径为24.176mm、后表面曲率半径为-72.896mm，第四透镜的中心厚度T4为6.707mm、第四透镜的后表面与第五透镜的前表面的中心厚度为2.674mm，所述第四透镜的材料为H-ZPK5，所述第四透镜的前表面的通光孔径为12.65mm、后表面的通光孔径为12.23mm；

所述第五透镜L5的前表面曲率半径为11.005mm、后表面曲率半径为9.525mm，第五透镜的中心厚度T5为10.000mm、第五透镜的后表面与像面的中心厚度为5.157mm，所述第五透镜的材料为H-LAF53，所述第五透镜的前表面的通光孔径为9.46mm、后表面的通光孔径为4.55mm。

上述耦合物镜的各透镜的有效焦距与耦合物镜的有效焦距的关系为：f1/f＝-9.2，f2/f＝4.0，f3/f＝-4.3；f4/f＝3.3；f5/f＝5.3。其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为双胶合透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f为用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的有效焦距。该关系满足-16.2<f1/f<-8.1，2.3<f2/f<4.5，-6.4<f3/f<-3.5，2.2<f4/f<4.3，3.5<f5/f<6.7，因此，可以同时对激发光及荧光信号消色差并平衡其他像差。本实施例只给出了该范围中的一种具体参数，由于单纯参数的变更属于本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可完成，因此，各透镜的有效焦距与耦合物镜的有效焦距的关系不限于表1中的参数，只要满足-16.2<f1/f<-8.1，2.3<f2/f<4.5，-6.4<f3/f<-3.5，2.2<f4/f<4.3，3.5<f5/f<6.7的关系式，应都在本发明的保护范围内。

上述耦合物镜的各透镜的中心厚度与耦合物镜的总中心厚度的关系，以及物、像的共轭距离与耦合物镜的有效焦距的关系为：T1/∑T＝0.21；T2/∑T＝0.08；T3/∑T＝0.15；T4/∑T＝0.09；T5/∑T＝0.14；TL/f＝7.8。其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴的中心厚度，∑T为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴中心厚度的总和,即∑T＝T1+T2+T3+T4+T5；TL为该耦合物镜的物、像的共轭距离。该关系满足0.18<T1/∑T<0.25，0.06<T2/∑T<1.20，0.12<T3/∑T<0.21，0.06<T4/∑T<0.11，0.10<T5/∑T<0.16，5.8<TL/f<9.2。因此，可以很了地较正场曲。本实施例只给出了该范围中的一种具体参数，由于单纯参数的变更属于本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可完成，因此，各透镜的中心厚度与耦合物镜的总中心厚度的关系，以及物、像的共轭距离与耦合物镜的有效焦距关系不限于表1中的参数，只要满足0.18<T1/∑T<0.25，0.06<T2/∑T<1.20，0.12<T3/∑T<0.21，0.06<T4/∑T<0.11，0.10<T5/∑T<0.16，5.8<TL/f<9.2的关系式，应都在本发明的保护范围内。

当样本使用的荧光染色剂是荧光素钠时，检验表1中的共聚焦显微内窥镜的耦合物镜是否能对488nm的激发光及520nm的荧光主波长同时消色差。图2是表1中的耦合物镜实施例的色焦移曲线，从中可看出，其可同时对488nm-550nm范围消色差。

进一步地，该耦合物镜的工作距是5.157mm、数值孔径为0.5。进一步检验表1中的耦合物镜的耦合效果。如图3，为耦合物镜的弥散斑均方根尺寸与归一化视场的曲线，可以看到在整个视场上，弥散斑的均方根半径都小于传像光纤束的纤芯距4.5um，因此，本实施例中的耦合物镜，在保证工作距为5.517mm的同时，其数值孔径与光纤数值孔径匹配良好，耦合效果良好。

本发明中的共聚焦显微内窥镜的耦合物镜采用类似双高斯的对称结构，通过各透镜的形状、材料、中心厚度等参数，可以更容易校正包括球差、彗差在内的横向像差。

实施例二：

本实施例中的透镜结构与实施例一相同，不同的是各透镜的具体参数，详见表2。

表2共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的具体参数(单位：mm)

其中，所述第一透镜L1的前表面曲率半径为-8.389mm、后表面曲率半径为-16.130mm，第一透镜的中心厚度T1为14.591mm、第一透镜的后表面与第二透镜的前表面的中心厚度为2.939mm，所述第一透镜的材料为H-ZLAF50D，所述第一透镜的前表面的通光孔径为5mm、后表面的通光孔径为10.60mm；

所述第二透镜L2的前表面曲率半径为93.760mm、后表面曲率半径为-34.051mm，第二透镜的中心厚度T2为6.237mm、第二透镜的后表面与第三透镜的前表面的中心厚度为6.542mm，所述第二透镜的材料为H-ZBAF20，所述第二透镜的前表面的通光孔径为11.17mm、后表面的通光孔径为11.16mm；

所述第三透镜L3的前表面曲率半径为-19.311mm、中间面曲率半径为20.383、后表面曲率半径为-35.639mm，前表面到中间面的中心厚度为2.740mm、中间面到后表面的中心厚度为6.118mm、后表面与第四透镜的前表面的中心厚度为1.177mm，所述第三透镜由材料为ZF7LGT的双凹透镜及材料为H-LAK53B的双凸透镜组成，所述第三透镜的前表面的通光孔径为9.62mm、中表面的通光孔径为10.46mm、后表面的通光孔径为10.80mm；

所述第四透镜L4的前表面曲率半径为23.534mm、后表面曲率半径为-147.748mm，第四透镜的中心厚度T4为4.524mm、第四透镜的后表面与第五透镜的前表面的中心厚度为1.000mm，所述第四透镜的材料为H-ZK14，所述第四透镜的前表面的通光孔径为10.85mm、后表面的通光孔径为10.48mm；

所述第五透镜L5的前表面曲率半径为9.307mm、后表面曲率半径为9.545mm，第五透镜的中心厚度T5为9.039mm、第五透镜的后表面与像面的中心厚度为5.094mm，所述第五透镜的材料为H-ZK3A，所述第五透镜的前表面的通光孔径为8.57mm、后表面的通光孔径为4.44mm。

上述耦合物镜的各透镜的有效焦距与耦合物镜的有效焦距的关系为：f1/f＝-15.5，f2/f＝3.9，f3/f＝-5.6；f4/f＝3.7；f5/f＝4.6。其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为双胶合透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f为用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的有效焦距。该关系满足-16.2<f1/f<-8.1，2.3<f2/f<4.5，-6.4<f3/f<-3.5，2.2<f4/f<4.3，3.5<f5/f<6.7，因此，可以同时对激发光及荧光信号消色差并平衡其他像差。本实施例只给出了该范围中的一种具体参数，由于单纯参数的变更属于本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可完成，因此，各透镜的有效焦距与耦合物镜的有效焦距的关系不限于表2中的参数，只要满足-16.2<f1/f<-8.1，2.3<f2/f<4.5，-6.4<f3/f<-3.5，2.2<f4/f<4.3，3.5<f5/f<6.7的关系式，应都在本发明的保护范围内。

上述耦合物镜的各透镜的中心厚度与耦合物镜的总中心厚度的关系，以及物、像的共轭距离与耦合物镜的有效焦距的关系为：T1/∑T＝0.24；T2/∑T＝1.04；T3/∑T＝0.15；T4/∑T＝0.07；T5/∑T＝0.15；TL/f＝6.8。其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴的中心厚度，∑T为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴中心厚度的总和,即∑T＝T1+T2+T3+T4+T5；TL为该耦合物镜的物、像的共轭距离。该关系满足0.18<T1/∑T<0.25，0.06<T2/∑T<1.20，0.12<T3/∑T<0.21，0.06<T4/∑T<0.11，0.10<T5/∑T<0.16，5.8<TL/f<9.2。因此，可以很了地较正场曲。本实施例只给出了该范围中的一种具体参数，由于单纯参数的变更属于本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可完成，因此，各透镜的中心厚度与耦合物镜的总中心厚度的关系，以及物、像的共轭距离与耦合物镜的有效焦距关系不限于表2中的参数，只要满足0.18<T1/∑T<0.25，0.06<T2/∑T<1.20，0.12<T3/∑T<0.21，0.06<T4/∑T<0.11，0.10<T5/∑T<0.16，5.8<TL/f<9.2的关系式，应都在本发明的保护范围内。

当样本使用的荧光染色剂是荧光素钠时，检验表2中的共聚焦显微内窥镜的耦合物镜是否能对488nm的激发光及520nm的荧光主波长同时消色差。图4是表1中的耦合物镜实施例的色焦移曲线，从中可看出，其可同时对488nm-550nm范围消色差。

进一步地，该耦合物镜的工作距是5.094mm、数值孔径为0.5。进一步检验表2中的耦合物镜的耦合效果。如图5，为耦合物镜的弥散斑均方根尺寸与归一化视场的曲线，可以看到在整个视场上，弥散斑的均方根半径都小于传像光纤束的纤芯距4.5um，因此，本实施例中的耦合物镜，在保证工作距为5.094mm的同时，其数值孔径与光纤数值孔径匹配良好，耦合效果良好。

本发明中的共聚焦显微内窥镜的耦合物镜采用类似双高斯的对称结构，通过各透镜的形状、材料、中心厚度等参数，可以更容易校正包括球差、彗差在内的横向像差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，其特征在于，包括具有负光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜，沿光轴从物侧到像侧依次顺序排列；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为球面透镜；各透镜的有效焦距与耦合物镜的有效焦距满足：

-16.2<f1/f<-8.1，

2.3<f2/f<4.5，

-6.4<f3/f<-3.5，

2.2<f4/f<4.3，

3.5<f5/f<6.7，

其中，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，所述第三透镜是双胶合透镜，f3为双胶合透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f5为第五透镜的有效焦距，f为用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜的有效焦距。

2.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，其特征在于，各透镜的中心厚度与耦合物镜的总中心厚度的关系，以及物、像的共轭距离与耦合物镜的有效焦距满足：

0.18<T1/∑T<0.25，

0.06<T2/∑T<1.20，

0.12<T3/∑T<0.21，

0.06<T4/∑T<0.11，

0.10<T5/∑T<0.16，

5.8<TL/f<9.2，

其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴的中心厚度，∑T为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜沿光轴中心厚度的总和,即∑T＝T1+T2+T3+T4+T5；TL为该耦合物镜的物、像的共轭距离。

3.根据权利要求2所述的用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，其特征在于，所述第一透镜的前表面曲率半径为-8.397mm、后表面曲率半径为-17.289mm，第一透镜的中心厚度为14.690mm、第一透镜的后表面与第二透镜的前表面的中心厚度为3.705mm，所述第一透镜的材料为H-ZLAF68B，所述第一透镜的前表面的通光孔径为5mm、后表面的通光孔径为10.89mm；

所述第二透镜的前表面曲率半径为-326.884mm、后表面曲率半径为-29.480mm，第二透镜的中心厚度为5.324mm、第二透镜的后表面与第三透镜的前表面的中心厚度为8.899mm，所述第二透镜的材料为H-ZLAF68B；所述第二透镜的前表面的通光孔径为11.69mm、后表面的通光孔径为11.97mm；

所述第三透镜的前表面曲率半径为-18.090mm、中间面曲率半径为15.794、后表面曲率半径为-37.249mm，前表面到中间面的中心厚度为2.386mm、中间面到后表面的中心厚度为8.418mm、后表面与第四透镜的前表面的中心厚度为2.039mm，所述第三透镜是双胶合透镜，由材料为ZF51的双凹透镜及材料为H-LAF51的双凸透镜组成；所述第三透镜的前表面的通光孔径为9.85mm、中间 面的通光孔径为11.09mm、后表面的通光孔径为11.77mm；

所述第四透镜的前表面曲率半径为24.176mm、后表面曲率半径为-72.896mm，第四透镜的中心厚度为6.707mm、第四透镜的后表面与第五透镜的前表面的中心厚度为2.674mm，所述第四透镜的材料为H-ZPK5，所述第四透镜的前表面的通光孔径为12.65mm、后表面的通光孔径为12.23mm；

所述第五透镜的前表面曲率半径为11.005mm、后表面曲率半径为9.525mm，第五透镜的中心厚度为10.000mm、第五透镜的后表面与像面的中心厚度为5.157mm，所述第五透镜的材料为H-LAF53，所述第五透镜的前表面的通光孔径为9.46mm、后表面的通光孔径为4.55mm。

4.根据权利要求2所述的用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，其特征在于，所述第一透镜的前表面曲率半径为-8.389mm、后表面曲率半径为-16.130mm，第一透镜的中心厚度为14.591mm、第一透镜的后表面与第二透镜的前表面的中心厚度为2.939mm，所述第一透镜的材料为H-ZLAF50D，所述第一透镜的前表面的通光孔径为5mm、后表面的通光孔径为10.60mm；

所述第二透镜的前表面曲率半径为93.760mm、后表面曲率半径为-34.051mm，第二透镜的中心厚度为6.237mm、第二透镜的后表面与第三透镜的前表面的中心厚度为6.542mm，所述第二透镜的材料为H-ZBAF20；所述第二透镜的前表面的通光孔径为11.17mm、后表面的通光孔径为11.16mm；

所述第三透镜的前表面曲率半径为-19.311mm、中间面曲率半径为20.383、后表面曲率半径为-35.639mm，前表面到中间面的中心厚度为2.740mm、中间面到后表面的中心厚度为6.118mm、后表面与第四透镜的前表面的中心厚度为1.177mm，所述第三透镜是双胶合透镜，由材料为ZF7LGT的双凹透镜及材料为H-LAK53B的双凸透镜组成；所述第三透镜的前表面的通光孔径为9.62mm、中间 面的通光孔径为10.46mm、后表面的通光孔径为10.80mm；

所述第四透镜的前表面曲率半径为23.534mm、后表面曲率半径为-147.748mm，第四透镜的中心厚度为4.524mm、第四透镜的后表面与第五透镜的前表面的中心厚度为1.000mm，所述第四透镜的材料为H-ZK14，所述第四透镜的前表面的通光孔径为10.85mm、后表面的通光孔径为10.48mm；

所述第五透镜的前表面曲率半径为9.307mm、后表面曲率半径为9.545mm，第五透镜的中心厚度为9.039mm、第五透镜的后表面与像面的中心厚度为5.094mm，所述第五透镜的材料为H-ZK3A，所述第五透镜的前表面的通光孔径为8.57mm、后表面的通光孔径为4.44mm。

5.根据权利要求3或4所述的用于共聚焦显微内窥镜的耦合物镜，其特征在于，所述耦合物镜的数值孔径为0.5mm。

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