CN111158128B

CN111158128B - 共聚焦微型显微物镜

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Publication number: CN111158128B
Application number: CN202010008608.4A
Authority: CN
Inventors: 熊艳辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: CN111158128A

Abstract

本发明提供了共聚焦微型显微物镜，涉及光学物镜的技术领域。包括从物方至传像光纤束方向依次同轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；第一透镜的折射率与物方的折射率匹配，第五透镜的折射率与传像光纤束的折射率匹配，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜各自的中心厚度与各自的焦距均成比例，使得来自物方的光线被第五透镜会聚成点，且成像在第五透镜靠近成像光纤束的一侧。第一透镜的折射率与组织端液体环境的折射率接近，能补偿物方介质率的波动对成像性能的影响，第五透镜的折射率与传像光纤束折射率匹配，能将光纤耦合进入传像光纤束中，降低杂散光干扰，提高整个系统的信噪比。

Description

共聚焦微型显微物镜

技术领域

本发明涉及光学物镜的技术领域，特别涉及共聚焦微型显微物镜。

背景技术

探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)是一种可以借助胃镜、结肠镜等通道进入人体自然腔道，获取局部组织学图像来实现微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断的医疗设备。因为具有快速、准确且无创等特点，它可能在不久的将来取代传统的内镜活检与病理学检查，成为胃肠道疾病及早期胃肠道癌变诊断的主要手段及设备。

微型显微物镜是探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件。微型显微物镜传递激发能量，并收集来自组织粘膜层的细胞的荧光信号，然后通过传像光纤束等一系列光学模块将荧光信号传递到光电探测器。由于人体是一个复杂的液体循环系统，人体组织粘液的折射率会随着人体的新陈代谢、健康状况在一定范围内波动。一般情况下，对于特定的设计，共聚焦显微物镜的物方会设定为一个固定的折射率，而组织粘液的折射率则会发生波动，导致折射率不匹配，共聚焦显微物镜产生明显的球差，成像性能发生急剧下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种共聚焦微型显微物镜，以解决实际检查过程中物方折射率波动而引起球差、导致微型显微物镜成像性能下降的问题。

包括从物方至传像光纤束方向依次同轴排列的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、第五透镜；所述第一透镜的折射率与物方的折射率匹配，所述第五透镜的折射率与所述传像光纤束的折射率匹配，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜各自的中心厚度与各自的焦距均成比例，使得来自物方的光线被所述第五透镜会聚成点，且成像在所述第五透镜靠近所述成像光纤束的一侧。

上述技术方案中，光线依次从物方经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，最后成像在第五透镜靠近传像光纤束的一侧端面上。第一透镜与第二透镜分别弯折一部分大孔径角的光线，起到校正球差的作用，第三透镜则用于校正色差，第四透镜用于将光线会聚在第五透镜内，第五透镜则将光线会聚成点。由于物方在实际使用过程中为生物体的组织端，第一透镜的折射率与组织端所处的液体环境的折射率接近，当物方折射率波动时，按照折射定律，由第一透镜第一面折射的光线角度只会发生微小改变，因此不会对后续光路造成显著影响——即像差几乎没有改变，因此能够最大程度补偿实际使用过程中镜头物方折射率的波动对成像性能的影响。而第五透镜的折射率则与传像光纤束的折射率匹配，能最大程度地将光纤耦合进入传像光纤束中，从而降低杂散光干扰，提高整个光路的系统的信噪比。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜各自的中心厚度与各自的焦距满足以下条件：

0.31<D1/f1<0.52；0.37<D2/f2<0.62；0.65<D3/f3<1.0；0.75<D4/f4<1.2；

其中D1、D2、D3、D4分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的中心厚度，f1、f2、f3、f4分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距。

进一步地，共聚焦微型显微物镜的焦距为f，与第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距之间满足以下条件：

-0.30<f1/f<-0.15；-0.45<f2/f<-0.25；-0.56<f3/f<-0.35；-0.52<f4/f<-0.34。

进一步地，所述第一透镜的折射率为a，1.34≤a≤1.48，所述第一透镜S1面为平面，S2面为凸面且曲率半径为-0.60mm。

进一步地，所述第二透镜S3面为平面或者是曲率半径为-2.450mm的凹面，所述第二透镜S4面曲率半径为-1.340mm。

进一步地，所述第三透镜为双胶合透镜，包括两块折射率差值小、而阿贝数差值大的正透镜和负透镜，所述负透镜靠近物方的一侧为凸面，靠近传像光纤束的一侧为与正透镜胶合的凹面。

进一步地，所述负透镜的S5面曲率半径为2.769mm，所述负透镜与所述正透镜胶合的S6面曲率半径为1.210mm，所述正透镜的S7面曲率半径为 -1.800mm。

进一步地，所述第四透镜的S8面曲率半径为1.780mm，S9面为平面。

进一步地，所述第五透镜的折射率为b，1.43≤b≤1.47。

进一步地，所述第五透镜靠近所述传像光纤束的一侧为平面，并与所述传像光纤束的端面重合，所述第五透镜靠近所述第四透镜的一侧可以为平面、凸面或凹面。

附图说明

图1为实施例一的光路结构示意图；

图2为实施例一在不同视场上的均方根尺寸图；

图3为实施例二的光路结构示意图；

图4为实施例二在不同视场上的均方根尺寸图；。

1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1，本发明公开了共聚焦微型显微物镜，包括从物方至传像光纤束方向依次同轴排列的具有正光焦度的第一透镜1、具有正光焦度的第二透镜2、具有正光焦度的第三透镜3、具有正光焦度的第四透镜4、第五透镜5；整个共聚焦微型显微物镜的焦距为f。

其中，第一透镜1靠近物方的一侧为平面、靠近传像光纤束的一侧为凸面，第一透镜1的折射率为a，1.34≤a≤1.48，这使得第一透镜1的折射率与物方的折射率接近，能够最大程度补偿实际使用过程中镜头物方折射率的波动对成像性能的影响。第一透镜1的中心厚度为D1，焦距为f1，其中心厚度与焦距之间的关系满足：0.31<D1/f1<0.52；第一透镜1的焦距与整个共聚焦微型显微物镜的焦距之间满足：-0.30<f1/f<-0.15。

第二透镜2靠近物方的一侧为平面、靠近传像光纤束的一侧为凸面，第二透镜2的中心厚度为D2，焦距为f2，其中心厚度与焦距之间的关系满足： 0.37<D2/f2<0.62；第二透镜2的焦距与整个共聚焦微型显微物镜的焦距之间满足：-0.45<f2/f<-0.25。

第三透镜3为双胶合透镜，包括一块正透镜和一块负透镜，二者的折射率差值小而阿贝数差值大。负透镜靠近物方的一侧为凸面，靠近传像光纤束的一侧为凹面；正透镜靠近物方的一侧为与负透镜的凹面匹配的凸面，靠近传像光纤束的一侧为凸面。第三透镜3的中心厚度为D3，焦距为f3，其中心厚度与焦距之间的关系满足：0.65<D3/f3<1.0；第三透镜3的焦距与整个共聚焦微型显微物镜的焦距之间满足：-0.56<f3/f<-0.35。

第四透镜4靠近物方的一侧为凸面，靠近传像光纤束的一侧为平面。第四透镜4的中心厚度为D4，焦距为f4，其中心厚度与焦距之间的关系满足： 0.75<D4/f4<1.2，；第四透镜4的焦距与整个共聚焦微型显微物镜的焦距之间满足：-0.52<f4/f<-0.34。

第五透镜5靠近物方的一侧可以为平面、凸面或凹面，靠近光纤束的一侧为平面且与传像光纤束的端面重合。第五透镜5的折射率与传像光纤束的折射率匹配，第五透镜5的折射率为b，1.43≤b≤1.47。第五透镜5靠近传像光纤束的一侧为平面，并与传像光纤束的端面重合。传像光纤束纤芯成分主要为二氧化硅时，第五透镜5在1.43-1.47范围的折射率与传像光纤束的折射率相近，从而能较大程度地耦合激发光和荧光，同时减少光信号在第五透镜5 与光纤束重合的端面上反射，降低成像光路的杂散光干扰，提高整个光路系统的信噪比。

光线依次从物方经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4，最后成像在第五透镜5靠近传像光纤束的一侧端面上。第一透镜1与第二透镜2分别弯折一部分大孔径角的光线，起到校正球差的作用，且第一透镜1 与第二透镜2之间的空气间隙很小，可以让光线保持尽量小的彗差，减小了下游各透镜校正彗差的压力。由两个折射率差值小而阿贝数差大的正透镜与负透镜组合而成的第三透镜3则用于校正色差，校正了色差后的光线进入第四透镜4后被会聚在第五透镜5内，从而能被第五透镜5很好地会聚成点，最终成像在第五透镜5与传像光纤束重合的端面上，得到高质量的图像。

上述参数条件下，形成的弥散斑尺寸小于传像光纤束的纤芯距，从而能够最大程度的提高光信号的耦合效率。

实施例一

参照图1，通过实例说明，传像光纤束的纤芯距为4.5um，依照表1来选取共聚焦显微物镜中各个透镜，其中第二透镜2的S3面为平面。

表1.共聚焦微型显微物镜的各透镜参数

第一透镜1靠近传像光纤束的一侧为非球面，该非球面的各系数如表2 所示。

表2.第一透镜的非球面系数

K	A4	A6	A8	A10	A12
						-36.633	-5.674	30.484	48.821	-1129.805	3225.429

选取的上述透镜中，工作距为0.080mm，第一透镜的S1面为平面、通光孔径为0.21mm，S2面为非球面、曲率半径为-0.603mm、通光孔径为0.46mm，第一透镜的中心厚度为0.467mm、材料为456903，第一透镜的S2面到第二透镜的S3面的中心厚度为0.082mm，即第一透镜与第二透镜之间的空气间隙。

第二透镜的S3面为平面、通光孔径为0.59mm，S4面曲率半径为 -1.340mm、通光孔径为0.85mm，第二透镜的中心厚度为0.873mm、材料为 720503，第二透镜的S4面到第三透镜的S5面的中心厚度为0.076mm。

第三透镜的S5面曲率半径为2.769mm、通光孔径为0.99mm，S6面曲率半径为1.210mm、通光孔径为0.94mm，S7面曲率半径为-1.800mm、通光孔径为0.98mm；第三透镜的S5面到S6面的中心厚度为1.062mm、S6面到S7 面的中心厚度为0.995mm，第三透镜的S7面到第四透镜的S8面的中心厚度为1.920。第三透镜中正透镜的材质为847238，负透镜的材质为623570。

第四透镜的S8面曲率半径为1.780mm、通光孔径为1.00mm，S9面为平面、通光孔径为0.45mm，第四透镜的中心厚度为2.465mm、材料为701411，第四透镜的S9面到第五透镜的S10面的中心厚度为0.127mm。

第五透镜的S10面为平面、通光孔径为0.39mm，S11面为平面、通光孔径为0.33mm，第五透镜的中心厚度为0.347mm、材料为460678。

计算得到第一透镜1满足参数关系：D1/f1＝0.47，f1/f＝-0.24；第二透镜2 满足参数关系：D2/f2＝0.47，f2/f＝-0.34；第三透镜3满足参数关系：D3/f3＝0.83， f3/f＝-0.45；第四透镜4满足参数关系：D4/f4＝0.99，f4/f＝-0.46。

最终实现的共聚焦微型显微物镜的数值孔径为0.8，中心视场的波前差小于λ/15，边缘视场的波前差小于λ/10。参照图2，弥散斑的均方根半径小于 1.5um，此时，弥散斑的尺寸小于传像光纤束的纤芯距，因此，极大地提高了光信号的耦合效率，并增强了最终成像的对比度。

实施例二

参照图3，与实施例一的不同之处在于，依照表3来选取共聚焦显微物镜中各个透镜，其中第二透镜的S3面为凹面。

表3.共聚焦微型显微物镜的各透镜参数

其中，第一透镜1靠近传像光纤束的一侧为非球面，该非球面的各系数如表4所示。

表4.第一透镜的非球面系数

K	A4	A6	A8	A10	A12
						-0.667	-3.355	49.709	-515.740	2815.319	-6174.320

选取的上述透镜中，工作距为0.060mm，第一透镜的S1面为平面、通光孔径为0.18mm，S2面为非球面、曲率半径为-0.603mm、通光孔径为0.39mm，第一透镜的中心厚度为0.467mm、材料为456903，第一透镜的S2面到第二透镜的S3面的中心厚度为0.082mm。

第二透镜的S3面曲率半径为-2.450mm、通光孔径为0.49mm，S4面曲率半径为-1.340mm、通光孔径为0.76mm，第二透镜的中心厚度为0.873mm、材料为772496，第二透镜的S4面到第三透镜的S5面的中心厚度为0.076mm。

第三透镜的S5面曲率半径为2.769mm、通光孔径为0.84mm，S6面曲率半径为1.210mm、通光孔径为0.79mm，S7面曲率半径为-1.800mm、通光孔径为0.91mm；第三透镜的S5面到S6面的中心厚度为1.062mm、S6面到S7 面的中心厚度为0.995mm，第三透镜的S7面到第四透镜的S8面的中心厚度为1.920。第三透镜中正透镜的材质为200254，负透镜的材质为670549。

第四透镜的S8面曲率半径为1.780mm、通光孔径为1.03mm，S9面为平面、通光孔径为0.50mm，第四透镜的中心厚度为2.465mm、材料为690549，第四透镜的S9面到第五透镜的S10面的中心厚度为0.127mm。

第五透镜的S10面为平面、通光孔径为0.44mm，S11面为平面、通光孔径为0.34mm，第五透镜的中心厚度为0.347mm、材料为458678。

计算得到第一透镜1满足参数关系：D1/f1＝0.35，f1/f＝-0.22；第二透镜2 满足参数关系：D2/f2＝0.42，f2/f＝-0.51；第三透镜3满足参数关系：D3/f3＝0.85， f3/f＝-0.43；第四透镜4满足参数关系：D4/f4＝0.97，f4/f＝-0.46。

最终实现的共聚焦微型显微物镜的数值孔径为0.8，中心视场的波前差小于λ/13，边缘视场的波前差小于λ/8。参照图4，弥散斑的均方根半径小于1.5um，此时，弥散斑的尺寸小于传像光纤束的纤芯距，因此，极大地提高了光信号的耦合效率，并增强了最终成像的对比度。

以上仅为本发明的若干个优选实施例而已，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

1.共聚焦微型显微物镜，其特征在于，包括从物方至传像光纤束方向依次同轴排列的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、第五透镜；所述第一透镜靠近物方的一侧为平面，靠近传像光纤束的一侧为凸面，所述第二透镜靠近物方的一侧为平面或凹面，靠近传像光纤束的一侧为凸面，所述第三透镜为双胶合透镜，包括两块折射率差值小、而阿贝数差值大的正透镜和负透镜，所述负透镜靠近物方的一侧为凸面，靠近传像光纤束的一侧为与正透镜胶合的凹面，正透镜靠近物方的一侧为与负透镜的凹面匹配的凸面，靠近传像光纤束的一侧为凸面，所述第四透镜的靠近物方的一侧为凸面，靠近传像光纤束的一侧为平面，所述第五透镜靠近物方的一侧为平面、凸面或凹面，靠近传像光纤束的一侧为平面；

所述第一透镜的折射率为a，1.34≤a≤1.48，与物方的折射率匹配，所述第五透镜的折射率为b，1.43≤b≤1.47，与所述传像光纤束的折射率匹配，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜各自的中心厚度与各自的焦距均成比例，满足以下条件：

0.31<D1/f1<0.52；0.37<D2/f2<0.62；0.65<D3/f3<1.0；0.75<D4/f4<1.2；

其中D1、D2、D3、D4分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的中心厚度，f1、f2、f3、f4分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距，使得来自物方的光线被所述第五透镜会聚成点，且成像在所述第五透镜靠近所述成像光纤束的一侧；

共聚焦微型显微物镜的焦距为f，与第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距之间满足以下条件：

-0.30<f1/f<-0.15；-0.45<f2/f<-0.25；-0.56<f3/f<-0.35；-0.52<f4/f<-0.34。

2.根据权利要求1所述的共聚焦微型显微物镜，其特征在于，所述第一透镜靠近传像光纤束的一侧曲率半径为-0.603mm。

3.根据权利要求1所述的共聚焦微型显微物镜，其特征在于，所述第二透镜靠近物方的一侧曲率半径为-2.450mm，所述第二透镜靠近传像光纤束的一侧曲率半径为-1.340mm。

4.根据权利要求1所述的共聚焦微型显微物镜，其特征在于，所述负透镜靠近物方的一侧曲率半径为2.769mm，所述负透镜与所述正透镜胶合的面曲率半径为1.210mm，所述正透镜靠近传像光纤束的一侧曲率半径为-1.800mm。

5.根据权利要求1所述的共聚焦微型显微物镜，其特征在于，所述第四透镜靠近物方的一侧曲率半径为1.780mm。

6.根据权利要求1所述的共聚焦微型显微物镜，其特征在于，所述第五透镜靠近所述传像光纤束的一侧与所述传像光纤束的端面重合。