CN111522123A - 一种微型浸液显微物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微型浸液显微物镜，涉及共聚焦显微内窥镜的技术领域。包括从物方至像方依次排列的正光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜；其中，S11面为平面、S12面向像方凸起；S21面向像方凸起、S22面向像方凸起；第三透镜为双胶合透镜，其S31面向物方凸起、S32面向物方凸起、S33面向像方凸起；第四透镜为Q型非球面透镜，其S41面向物方凸起、S42面向物方凸起；S51面向物方凸起、S52面向物方凸起。本发明透镜元件少、装配误差小，在小外径、长度等限制下，能较好地校正各类像差，实现大于0.65的数值孔径，提高荧光收集效率，从而提高对微弱荧光信号目标的识别灵敏度。

Description

一种微型浸液显微物镜
技术领域
本发明涉及共聚焦显微内窥镜的技术领域，特别涉及一种微型浸液显微物镜。
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。
微型浸液显微物镜是探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件。微型浸液显微物镜传递激发能量，并收集来自染色组织的荧光信号，并通过传像光纤束等一系列光学元件(模块)将荧光信号传递到光电探测器。作为探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件，微型浸液显微物镜会进入胃镜、结肠镜等内镜的器械孔道。对一般的胃镜、结肠镜等内镜而言，器械孔道的内镜在2.8-3.8mm之间。为了兼容不同内镜的器械孔道，微型浸液显微物镜的机械外径最好小于2.8mm，同时考虑内镜的构造，微型浸液显微物镜的整体长度受到了限制。
现有技术中，在受到上述限制的情况下，微型显微物镜的数值孔径通常低于0.6，要达到更大的数值孔径时，成像过程中色差、像差等校正难度会大幅增加，严重影响了成像性能。而在同样的激发强度下，数值孔径越小，微型浸液显微物镜的荧光收集效率越低，荧光收集效率越低，意味着不容易识别发出微弱荧光信号的目标(如组织细胞)。即灵敏度越低，对探测成像越不利，因此，在极小的外径及长度限制下，使用尽量少的透镜元件，去实现更高的耦合效率、减小像方弥散斑尺寸、提高对弱信号的识别灵敏度十分地困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型浸液显微物镜，以解决现有技术中在极小外径及长度限制下、对弱信号的识别灵敏度低的问题。
包括从物方至像方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、具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜；，NA为所述微型浸液显微物镜的数值孔径，满足关系式：NA≥0.65；
所述第一透镜的S11面为平面、S12面向像方凸起；
所述第二透镜的S21面向像方凸起、S22面向像方凸起；
所述第三透镜为双胶合透镜，其S31面向物方凸起、S32面向物方凸起、S33面向像方凸起；
所述第四透镜为Q型非球面透镜，其S41面向物方凸起、S42面向物方凸起；
所述第五透镜的S51面向物方凸起、S52面向物方凸起。
上述技术方案中，来自物方的光线逐步被第一透镜、第二透镜和第三透镜偏折，校正了部分球差、色差与彗差；第三透镜、第四透镜和第五透镜近似于库克三片式镜头，校正了场区和彗差。五个透镜元件数量少、装配工序少、因此装配误差更小，通过各个透镜的形状以及光焦度的协调配合，使得整个微型浸液显微物镜的外径能小于内镜器械孔道的内径，同时还能保证其光学长度能满足在内镜中的插拔要求。
进一步地，第一透镜的光焦度为f1，第二透镜的光焦度为f2，满足关系式：1.2＜f2/f1＜4.5。
进一步地，第二透镜S21面的曲率半径为r21，S22面的曲率半径为r22，满足关系式：-3.5＜(r21+r22)/(r22-r21)＜-1.1。
进一步地，第二透镜的中心厚度为t2，满足关系式：2.4<(r21-t2)/r22<11.2。
进一步地，各视场在第四透镜S41面的最大主光线角为max(CRA@S41)，满足关系式：max(CRA@S41)＜25°。
进一步地，各视场在第五透镜S51面的最大主光线角为max(CRA@S51)，满足关系式：max(CRA@S51)＜30°。
进一步地，各视场在像面的最大主光线角为max(CRA)，满足关系式：max(CRA)≤5.1。
进一步地，微型浸液显微物镜的光学总长为TTL，像高为Hi，满足关系式：13.5＜TTL/Hi＜15.5。
进一步地，微型浸液显微物镜的有效焦距为F，满足关系式：3.2＜TTL/F＜6.3。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例一的色焦移曲线；
图3为实施例一的复色均方根半径曲线；
图4为实施例二的结构示意图；
图5为实施例二的色焦移曲线；
图6为实施例二的复色均方根半径曲线
图7为实施例三的结构示意图；
图8为实施例三的色焦移曲线；
图9为实施例三复色均方根半径曲线。
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。应当理解此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，为本实施例公开的一种微型浸液显微物镜，从物方至像方依次包括：具有正光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L1、具有正光焦度的第三透镜L3、具有负光焦度的第四透镜L4和具有正光焦度的第五透镜L5。
其中，第一透镜的S11面为平面、S12面向像方凸起；第二透镜的S21面向像方凸起、S22面向像方凸起；第三透镜为双胶合透镜，其S31面向物方凸起、S32面向物方凸起、S33面向像方凸起；第四透镜的S41面向物方凸起、S42面向物方凸起；第五透镜的S51面向物方凸起、S52面向物方凸起。
第一透镜的光焦度为f1，第二透镜的光焦度为f2，满足关系式1.2＜f2/f1＜4.5。通过配置第一透镜与第二透镜的光焦度，有利于合理分配偏折角度，降低球差及高级像差。
第二透镜S21面的曲率半径为r21，S22面的曲率半径为r22，第二透镜的中心厚度为t2。满足关系式：-3.5<(r22+r21)/(r22-r21)<-1.1，2.4<(r21-t2)/r22<11.2。通过这种方式，使第二透镜形成同心透镜，有利于减小彗差等横向像差。
第三透镜为双胶合透镜。
第四透镜为Q型非球面透镜，由模压玻璃制成，其S41面最大主光线角为max(CRA@S41)，满足关系式max(CRA@S41)＜25°。通过减小入射角的方式，来控制第四透镜S41面的高级像差。第四透镜S42面各视场的最大主光线角为max(CRA)，满足关系式max(CRA)≤5.1，可使镜头的像方接近远心，有利于像方的照度保持均衡，增加像方对传像光纤的耦合效率。
第五透镜S51面最大主光线角为max(CRA@S51)，满足关系式max(CRA@S51)＜30°。通过减小入射角的方式，来控制第五透镜S51面产生的高级像差。
微型浸液显微物镜的光学总长为TTL，有效焦距为F，像高为Hi，数值孔径为NA，在上述条件下优化各个透镜的配置，可实现13.5<TTL/Hi<15.5，3.2<TTL/F<6.3，能有效减小镜头的长度，还能较好地校正色差、像差等，在外径、光学总长受限的情况下实现NA≥0.65，极大地提高了荧光的收集效率，从而提高对微弱荧光信号目标(例如组织细胞)的识别灵敏度。
实施例一
本实施例中各透镜的参数如表1所示。
表1微型浸液显微镜物镜的各透镜参数
Figure BDA0002323135370000041
本实施例中微型浸液显微物镜的工作距为0.06mm，物方的折射率：阿贝数为1.339:57.9。第一透镜S11面为平面、通光孔径为0.18mm，S12面的曲率半径为-1.342mm、通光孔径为0.54mm；第一透镜的中心厚度为0.89mm，第一透镜的S12面与第二透镜的S21面之间的中心距离为0.10mm。第一透镜的折射率：阿贝数为1.667:48.4。
第二透镜S21面的曲率半径为-4.517mm、通光孔径为0.62mm，S22面的曲率半径为-1.619mm、通光孔径为0.83mm；第二透镜的中心厚度为0.81mm，第二透镜的S22面与第三透镜的S31面之间的中心距离为0.10mm。第二透镜的折射率：阿贝数为1.694:49.2。
第三透镜S31面的曲率半径为3.178mm、通光孔径为0.90mm，S32面的曲率半径为1.332mm、通光孔径为0.90mm，S33面的曲率半径为-2.925mm、通光孔径为0.90mm；S31面到S32面的中心厚度为1.55mm，S32面到S33面的中心厚度为1.00mm，第三透镜的S33面与第四透镜的S41面之间的中心距离为1.48mm。第三透镜中靠近物方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.946:17.9；第三透镜中靠近像方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.755:52.3。
第四透镜S41面的曲率半径为0.899mm、通光孔径为0.87mm，S42面的曲率半径为0.412mm、通光孔径为0.47mm；第四透镜的中心厚度为0.98mm，第四透镜的S42面与第五透镜的S51面之间的中心厚度为0.56mm。第四透镜的折射率：阿贝数为1.810:41.0。
第五透镜S51面的曲率半径为1.333mm、通光孔径为0.55mm，S52面的曲率半径为4.488mm、通光孔径为0.43mm；第五透镜的中心厚度为0.97mm，第五透镜的S52面与像面之间的距离为0.50mm。第五透镜的折射率：阿贝数为2.000:28.3。
其中，S41和S42面是Q型非球面，非球面的各系数如表2所示。
表2第四透镜S41和S42面的非球面系数
面 项数 归一化半径 K A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6
S41 7 0.87 -3.932E-01 1.174E-02 -4.520E-04 -2.852E-05 2.612E-04 -2.326E-04 5.387E-05 -9.051E-06
S42 7 0.47 -7.582E-01 -2.973E-03 -5.407E-04 -5.748E-05 1.367E-04 -1.371E-O4 -2.654E-05 -2.562E-06
Q型非球面的使用可以显著的降低镜头的公差敏感度，并且非球面的各系数都可以进行公差分析。
通过上述参数可以得到：f2/f1＝1.6，(r22+r21)/(r22-r21)＝-2.1，(r21-t2)/r22＝3.3，max(CRA@S41)＝17.7°，max(CRA@S51)＝28.7°，TTL/Hi＝15.0，max(CRA)＝4.8，TTL/F＝4.7，NA＝0.65。
上述参数条件下，强光焦度、平凸的第一透镜，相对较弱光焦度的第二透镜以及双胶合的第三透镜，逐步偏折来自物方的大孔径光线，校正镜头的绝大部分球差。第三透镜的光焦度接近零，能校正色差及部分彗差。第三透镜、第四透镜和第五透镜的正光焦度、负光焦度、正光焦度的配置近似于库克三片式镜头，校正了镜头的场区及彗差。
最终获得的微型浸液显微物镜的色焦移曲线如图2所示，其在0.488-0.6um范围内的色焦移约为6um，因此，使得到像方弥散斑更小。
获得的微型浸液显微物镜的复色均方根半径曲线如图3所示，其在整个视场内的均方根半径都小于衍射极限时，达到了1.2um，因此，实现了传像光纤束较佳的耦合效率。
实施例二
参照图4，为本实施例公开的一种微型浸液显微物镜，与实施例一的不同之处在于，各透镜的参数如表3所示。
表3微型浸液显微镜物镜的各透镜参数
Figure BDA0002323135370000061
本实施例中微型浸液显微物镜的工作距为0.06mm，物方的折射率：阿贝数为1.339:57.9。第一透镜S11面为平面、通光孔径为0.18mm，S12面的曲率半径为-1.333mm、通光孔径为0.72mm；第一透镜的中心厚度为1.50mm，第一透镜的S12面与第二透镜的S21面之间的中心距离为0.10mm。第一透镜的折射率：阿贝数为2.000:28.4。
第二透镜S21面的曲率半径为-8.991mm、通光孔径为0.78mm，S22面的曲率半径为-2.381mm、通光孔径为0.90mm；第二透镜的中心厚度为0.91mm，第二透镜的S22面与第三透镜的S31面之间的中心距离为0.10mm。第二透镜的折射率：阿贝数为1.694:53.2。
第三透镜S31面的曲率半径为15.608mm、通光孔径为0.90mm，S32面的曲率半径为1.643mm、通光孔径为0.86mm，S33面的曲率半径为-3.412mm、通光孔径为0.87mm；S31面到S32面的中心厚度为0.97mm，S32面到S33面的中心厚度为1.00mm，第三透镜的S33面与第四透镜的S41面之间的中心距离为0.07mm。第三透镜中靠近物方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.946:17.9；第三透镜中靠近像方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.802:44.3。
第四透镜S41面的曲率半径为1.060mm、通光孔径为0.90mm，S42面的曲率半径为0.487mm、通光孔径为0.48mm；第四透镜的中心厚度为1.07mm，第四透镜的S42面与第五透镜的S51面之间的中心厚度为1.03mm。第四透镜的折射率：阿贝数为1.810:41.0。
第五透镜S51面的曲率半径为1.333mm、通光孔径为0.71mm，S52面的曲率半径为2.592mm、通光孔径为0.45mm；第五透镜的中心厚度为1.42mm，第五透镜的S52面与像面之间的距离为0.50mm。第五透镜的折射率：阿贝数为2.000:28.3。
其中，S41和S42面是Q型非球面，非球面的各系数如表4所示。
表4第四透镜S41和S42面的非球面系数
面 项数 归一化半径 K A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6
S41 7 0.90 -2.451E-01 7.073E-04 -3.291E-05 -4.968E-O5 -6.328E-06 3.007E-05 -3.561E-O6 3.302E-08
S42 7 0.48 -6.942E-01 -1.028E-02 6.269E-04 2.626E-04 1.920E-05 -2.399E-05 -3.569E-06 -1.357E-07
通过上述参数可以得到：f2/f1＝3.1，(r22+r21)/(r22-r21)＝-1.2，(r21-t2)/r22＝9.7，max(CRA@S41)＝7.8°，max(CRA@S51)＝27.5°，TTL/Hi＝13.8，max(CRA)＝5.0，TTL/F＝5.3，NA＝0.70。
上述参数条件下，强光焦度、平凸的第一透镜，相对较弱光焦度的第二透镜以及双胶合的第三透镜，逐步偏折来自物方的大孔径光线，校正镜头的绝大部分球差。第三透镜的光焦度接近零，能校正色差及部分彗差。第三透镜、第四透镜和第五透镜的正光焦度、负光焦度、正光焦度的配置近似于库克三片式镜头，校正了镜头的场区及彗差。
最终获得的微型浸液显微物镜的色焦移曲线如图5所示，其在0.488-0.6um范围内的色焦移约为5um，因此，有助于使得到像方弥散斑更小。
获得的微型浸液显微物镜的复色均方根半径曲线如图6所示，其在整个视场内的均方根半径都小于衍射极限时，达到了1.0um，因此，实现了传像光纤束较佳的耦合效率。本实施例实现的数值孔径较实施例一更大。
实施例三
参照图7，为本实施例公开的一种微型浸液显微物镜，与实施例二的不同之处在于各透镜的材料不同，本实施例中各透镜的参数如表5所示。
表5微型浸液显微镜物镜的各透镜参数
Figure BDA0002323135370000081
本实施例中微型浸液显微物镜的工作距为0.06mm，物方的折射率：阿贝数为1.339:57.9。第一透镜S11面为平面、通光孔径为0.18mm，S12面的曲率半径为-1.333mm、通光孔径为0.72mm；第一透镜的中心厚度为1.50mm，第一透镜的S12面与第二透镜的S21面之间的中心距离为0.10mm。第一透镜的折射率：阿贝数为2.000:25.4。
第二透镜S21面的曲率半径为-8.991mm、通光孔径为0.78mm，S22面的曲率半径为-2.381mm、通光孔径为0.90mm；第二透镜的中心厚度为0.91mm，第二透镜的S22面与第三透镜的S31面之间的中心距离为0.10mm。第二透镜的折射率：阿贝数为1.651:55.9。
第三透镜S31面的曲率半径为15.608mm、通光孔径为0.90mm，S32面的曲率半径为1.643mm、通光孔径为0.86mm，S33面的曲率半径为-3.412mm、通光孔径为0.87mm；S31面到S32面的中心厚度为0.97mm，S32面到S33面的中心厚度为1.00mm，第三透镜的S33面与第四透镜的S41面之间的中心距离为0.07mm。第三透镜中靠近物方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.946:17.9；第三透镜中靠近像方的一侧透镜其折射率：阿贝数为1.816:46.6。
第四透镜S41面的曲率半径为1.060mm、通光孔径为0.90mm，S42面的曲率半径为0.487mm、通光孔径为0.48mm；第四透镜的中心厚度为1.07mm，第四透镜的S42面与第五透镜的S51面之间的中心厚度为1.03mm。第四透镜的折射率：阿贝数为1.810:41.0。
第五透镜S51面的曲率半径为1.333mm、通光孔径为0.71mm，S52面的曲率半径为2.592mm、通光孔径为0.45mm；第五透镜的中心厚度为1.42mm，第五透镜的S52面与像面之间的距离为0.50mm。第五透镜的折射率：阿贝数为2.000:28.3。
其中，S41和S42面是Q型非球面，非球面的各系数如表6所示。
表6第四透镜S41和S42面的非球面系数
面 项数 归一化半径 K A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
S41 9 0.88 -2.59E-01 3.29E-03 -7.29E-04 1.97E-04 -1.18E-04 7.70E-05 -1.28E-05 5.88E-07 1.36E-O5 8.88E-06
S42 9 0.50 -5.00E-O1 8.54E-03 -3.47E-04 9.20E-O6 -1.15E-04 5.81E-05 -1.55E-05 -1.68E-05 -3.36E-06 1.45E-06
通过上述参数可以得到：f2/f1＝3.3，(r22+r21)/(r22-r21)＝-1.7，(r21-t2)/r22＝4.2，max(CRA@S41)＝7.1°，max(CRA@S51)＝27.4°，TTL/Hi＝14.5，max(CRA)＝5.1，TTL/F＝5.5，NA＝0.75。
上述参数条件下，强光焦度、平凸的第一透镜，相对较弱光焦度的第二透镜以及双胶合的第三透镜，逐步偏折来自物方的大孔径光线，校正镜头的绝大部分球差。第三透镜的光焦度接近零，能校正色差及部分彗差。第三透镜、第四透镜和第五透镜的正光焦度、负光焦度、正光焦度的配置近似于库克三片式镜头，校正了镜头的场区及彗差。
最终获得的微型浸液显微物镜的色焦移曲线如图8所示，其在0.488-0.6um范围内的色焦移约为3um，因此，有助于使得到像方弥散斑更小。
获得的微型浸液显微物镜的复色均方根半径曲线如图9所示，其在整个视场内的均方根半径都小于衍射极限时，达到了1.0um，因此，实现了传像光纤束较佳的耦合效率。本实施例实现的数值孔径较实施例一和实施例二更大。
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 (9)

1.一种微型浸液显微物镜，其特征在于，包括从物方至像方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、具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，NA为所述微型浸液显微物镜的数值孔径，满足关系式：NA≥0.65；
所述第一透镜的S11面为平面、S12面向像方凸起；
所述第二透镜的S21面向像方凸起、S22面向像方凸起；
所述第三透镜为双胶合透镜，其S31面向物方凸起、S32面向物方凸起、S33面向像方凸起；
所述第四透镜为Q型非球面透镜，其S41面向物方凸起、S42面向物方凸起；
所述第五透镜的S51面向物方凸起、S52面向物方凸起。
2.根据权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，第一透镜的光焦度为f1，第二透镜的光焦度为f2，满足关系式：1.2＜f2/f1＜4.5。
3.根据权利要求2所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，第二透镜S21面的曲率半径为r21，S22面的曲率半径为r22，满足关系式：-3.5＜(r21+r22)/(r22-r21)＜-1.1。
4.根据权利要求3所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，第二透镜的中心厚度为t2，满足关系式：2.4<(r21-t2)/r22<11.2。
5.根据权利要求4所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，各视场在第四透镜S41面的最大主光线角为max(CRA@S41)，满足关系式：max(CRA@S41)＜25°。
6.根据权利要求2所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，各视场在第五透镜S51面的最大主光线角为max(CRA@S51)，满足关系式：max(CRA@S51)＜30°。
7.根据权利要求6所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，各视场在像面的最大主光线角为max(CRA)，满足关系式：max(CRA)≤5.1。
8.根据权利要求2所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，微型浸液显微物镜的光学总长为TTL，像高为Hi，满足关系式：13.5＜TTL/Hi＜15.5。
9.根据权利要求8所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，微型浸液显微物镜的有效焦距为F，满足关系式：3.2＜TTL/F＜6.3。
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