CN113253435B - 同轴远心镜头系统 - Google Patents

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CN113253435B CN202110773154.4A CN202110773154A CN113253435B CN 113253435 B CN113253435 B CN 113253435B CN 202110773154 A CN202110773154 A CN 202110773154A CN 113253435 B CN113253435 B CN 113253435B
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Abstract

本发明公开了一种同轴远心镜头系统，包括具有正光焦度的前镜组，正光焦度的后镜组，分色分光滤光片，其入射面镀有分色分光膜，以及光源；其中，沿光线自物面向像面入射方向依次设置前镜组、分色分光滤光片、后镜组；分色分光滤光片的入射面与所述光源的照射的方向，以及与物面至像面的入射方向均成夹角设置，且所述分色分光膜的入射角度与所述分色分光滤光片的入射面和物面至像面的入射方向的夹角角度相同。本发明提出的同轴远心镜头，在前镜组和后镜组之间设置分色分光滤光片，不仅具有分光作用，还具有分色作用，从而在检测生物荧光成像时，能够对生物荧光和激发光源进行分光和分色，满足生物荧光检测成像的需求，提高成像效果。

Description

同轴远心镜头系统
技术领域
本发明涉及光学镜头领域，尤其涉及一种同轴远心镜头系统。
背景技术
远心镜头是光学镜头系统中的一种特殊形式，能够有效避免普通光学镜头在成像时存在视差的缺点，现有同轴远心镜头的前后镜组之间为分光棱镜，分光棱镜具有分光作用，但当将其使用在生物荧光成像检测仪上，进行检测生物荧光时，由于生物荧光的波长与激发光源的波长不同，而且生物荧光中也包含了各种不同波长不同颜色的光，故而不仅需要对其进行分光而且还需要分色，才能够有效的对生物荧光进行成像，显然目前的同轴远心镜头并不能满足上述要求。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种同轴远心镜头系统，旨在解决背景技术中所提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种同轴远心镜头系统，包括：
前镜组，具有正光焦度，包括第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第一双凹负透镜；
后镜组，具有正光焦度，包括第三双凸正透镜、第二双凹负透镜、第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜；
分色分光滤光片，所述分色分光滤光片的入射面上镀有分色分光膜；
光源；
其中，沿光线自物面向像面入射方向依次设置所述第一双凸正透镜、所述第二双凸正透镜、所述第一双凹负透镜、所述分色分光滤光片、所述第三双凸正透镜、所述第二双凹负透镜、所述第一弯月正透镜、所述第二弯月正透镜、所述第三弯月正透镜；
所述分色分光滤光片的入射面与所述光源的照射的方向，以及与物面至像面的入射方向均成夹角设置，且所述分色分光膜的入射角度与所述分色分光滤光片的入射面和物面至像面的入射方向的夹角角度相同。
可选地，该镜头系统还包括柱面镜，所述柱面镜设于所述分色分光滤光片和所述后镜组之间，所述柱面镜和所述分色分光滤光片满足如下关系式：
Figure 630636DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，P为所述柱面镜的光焦度，T为所述分色分光滤光片的厚度。
可选地，该所述第二双凸正透镜和所述第一双凹负透镜组成第一双胶合镜片。
可选地，所述第二双凹负透镜和所述第一弯月正透镜组成第二双胶合镜片。
可选地，所述后镜组中还设有孔径光栏，所述孔径光栏设于所述第三双凸正透镜和所述第三弯月正透镜之间。
可选地，所述第一双凸正透镜和所述第二双凸正透镜之间的间隔为19-20mm，优选为19.43mm；
所述第一双凹负透镜和所述分色分光滤光片之间的间隔为20-23mm，优选为21.35mm；
所述分色分光滤光片和所述柱面镜之间的间隔为6-15mm，优选为10.2mm；
所述柱面镜与所述第三双凸正透镜之间的间隔为2-8mm，优选为5.28mm；
所述第三双凸正透镜与所述第二双凹负透镜之间的间隔为0.02-0.5mm，优选为0.28mm；
所述第一弯月正透镜与所述孔径光栏之间的间隔为0.8-3.6mm，优选为2.3mm；
所述孔径光栏与所述第二弯月正透镜之间的间隔为0.1mm；
所述第二弯月正透镜与所述第三弯月正透镜之间的间隔为18-30mm，优选为23.55mm。
可选地，所述镜头满足如下关系：
0.5<f1/f13<1.5；
0.3<f4/f48<1.2;
60<v2<96；
1.58<n5<1.66,40<v5<50；
其中：f1为所述第一双凸正透镜的焦距，f13为所述前镜组的组合焦距，为所述第三双凸正透镜的焦距，f48为所述后镜组的组合焦距，v2为所述第二双凸正透镜的阿贝数；n5为所述第二双凹负透镜的折射率，v5为所述第二双凹负透镜的阿贝数。
可选地，所述第一双凸正透镜的材料为H-ZF13；
所述第二双凸正透镜的材料为H-ZPK5；
所述第一双凹负透镜的材料为H-ZF2；
所述分色分光滤光片到的材料为H-K9L；
所述柱面镜的厚度的材料为H-K9L；
所述第三双凸正透镜的材料为H-ZLAF69；
所述第二双凹负透镜的材料为H-TF3L；
所述第一弯月正透镜的材料为H-BAF3；
所述第二弯月正透镜的材料为H-ZPK7；
所述第三弯月正透镜的材料为H-ZLAF89L。
可选地，该镜头系统还包括平行平板，所述平行平板设于所述后镜组和像面之间。
可选地，所述平行平板为厚度0.7mm的玻璃。
本发明提出的同轴远心镜头，在前镜组和后镜组之间设置分色分光滤光片，不仅具有分光作用，还具有分色作用，从而在检测生物荧光成像时，能够对生物荧光进行分光和分色，满足生物荧光检测成像的需求，提高成像效果。
附图说明
图1是本发明同轴远心镜头系统一实施例的结构示意图；
图2是本发明同轴远心镜头系统的MTF值；
图3是本发明同轴远心镜头系统的相对照度；
图4是本发明同轴远心镜头系统的弥散斑图；
图5是本发明同轴远心镜头系统光学畸变图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出了一种同轴远心镜头系统。
在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
参照图1所示，在本实施例中提供的同轴远心镜头系统包括：前镜组、后镜组、分色分光滤光片F1、以及光源I1；其中，前镜组具有正光焦度，包括第一双凸正透镜L1、第二双凸正透镜L2、第一双凹负透镜L3；后镜组，具有正光焦度，包括第三双凸正透镜L4、第二双凹负透镜L5、第一弯月正透镜L6、第二弯月正透镜L7、第三弯月正透镜L8；所述分色分光滤光片F1的入射面上镀有分色分光膜；而且，沿光线自物面(OBJ)向像面(IMA)入射方向依次设置所述第一双凸正透镜L1、所述第二双凸正透镜L2、所述第一双凹负透镜L3、所述分色分光滤光片F1、所述第三双凸正透镜L4、所述第二双凹负透镜L5、所述第一弯月正透镜L6、所述第二弯月正透镜L7、所述第三弯月正透镜L8；所述分色分光滤光片F1的入射面与所述光源I1的照射的方向，以及与物面至像面的入射方向均成夹角设置，且所述分色分光膜的入射角度与所述分色分光滤光片F1的入射面和物面至像面的入射方向的夹角角度相同。
如图1所示，在本实施例中，分色分光滤光片F1的入射面倾斜向上，与光源I1的照射方向成45°夹角，与物面至像面方向成45°夹角，则此时需要设置分色分光滤光片F1的入射角度为45°，从保证，光源I1发射的光线入射到分色分光滤光片F1后可以水平的向物面反射。在其他实施例中，若分色分光滤光片F1与物面至像面方向成30°夹角，则需设置分色分光膜的入射角为30°，即保证分色分光膜的入射角度与分色分光滤光片F1和物面至像面方向的角度相同，从而保证光源发射的光入射到分色分光滤光片F1后能够水平的反射至物面。
以所述分色分光膜的入射角度与所述分色分光滤光片F1的入射面和物面至像面的入射方向的夹角均为45°为例，在本实施例中，光源I1设在分色分光滤光片F1的正上方，在其他实施例中也可以是将光源I1设在分色分光滤光片F1的正下方，此时需要将分色分光滤光片F1的入射面倾斜向下45°即可，同样还可以将光源I1设置在分色分光滤光片F1的水平左右两侧，只需将分色分光滤光片F1的入射面相应的倾斜45°朝向光源I1即可，本技术方对于光源I1和分色分光滤光片F1的具体位置，分色分光膜的入射角度，以及分色分光滤光片F1的入射面和物面至像面的入射方向的夹角不做限制。
以光源I1设置在分色分光滤光片F1的正上方为例，其中光源I1可以采用激光光源，那么激光光源则从分色分光滤光片F1的正上方向下发射激光光线，激光光线照射到分色分光滤光片F1的入射面时，向前镜组方向反射，由于激光光线以45°照射在分色分光滤光片F1上，故而也以45°向前镜组方向反射，即激光光线经过分色分光滤光片F1反射，以水平方向向前镜组方向照射，透过前镜组后，照射在待检测物体上，如生物芯片，然后，待检测物体上的荧光物质被激光光线激发后，散发生物荧光并向前镜组照射，由于前镜组具有正光焦度，从而生物荧光经过前镜组后，会向光轴聚拢，而且还能对生物荧光进行色差校正，生物荧光透射前镜组后，照射到分色分光滤光片F1入射面上，对生物荧光中不同颜色的光具有不同波长，从照射到分色分光滤光片F1上后不符合条件的波长的光则直接被分色分光滤光片F1反射过滤，只有符合条件波长的光才能透射分色分光滤光片F1，并进一步向后镜组照射，后镜组进一步校正色差、像散，透射过后镜组后在最终在像面上成像。
本发明提出的同轴远心镜头，在前镜组和后镜组之间设置分色分光滤光片F1，不仅具有分光作用，还具有分色作用，从而在检测生物荧光成像时，能够过滤掉生物荧光中不符合条件波长的光，满足生物荧光检测成像的需求。
在本实施方式的另一个实施例中，还设有柱面镜C1，柱面镜C1设于分色分光滤光片F1和所述后镜组之间，从而生物荧光经过分色分光滤光片F1过滤后，首先入射到柱面镜C1上，那么通过设置柱面镜C1的光焦度就能够对生物荧光透射分色分光滤光片F1时产生的像散进行校正，比如设置柱面镜C1的光焦度满足以下关系：
Figure 822582DEST_PATH_IMAGE001
其中，P为柱面镜C1的光焦度，T为分色分光滤光片F1的厚度，因此生物荧光透射分色分光滤光片F1后产生的像散，经过柱面镜C1后校正后，在入射到后镜组，从而提高最终的成像质量。
在本实施方式的另一个实施例中，沿光线自物面向像面入射方向，所述前镜组依次设置第一双凸正透镜L1、第二双凸正透镜L2、第一双凹负透镜L3，其中所述第二双凸正透镜L2和所述第一双凹负透镜L3组成第一双胶合镜片。待检测物质被激光光线激发生物荧光后，生物荧光首先经过第一双凸正透镜L1，能够对生物荧光进行聚拢，而后经过第二双凸正透镜L2，起到平衡球差等像差的作用，经过第二双凸正透镜L2，起到平衡球差等像差的作用，而且第二双凸正透镜L2和所述第一双凹负透镜L3组成第一双胶合镜片，能够对生物荧光进行校正色差。
在本实施方式的另一个实施例中，沿光线自物面向像面入射方向，所述后镜组依次设置第三双凸正透镜L4、第二双凹负透镜L5、第一弯月正透镜L6、第二弯月正透镜L7、第三弯月正透镜L8，其中，所述第二双凹负透镜L5和所述第一弯月正透镜L6组成第二双胶合镜片。具体地，生物荧光经过分色分光滤光片F1和柱面镜C1后，首先照射到第三双凸正透镜L4，起到校正球差像散等像差的作用，经过第三双凸正透镜L4后照射到第二双凹负透镜L5和第一弯月正透镜L6组成的第二胶合镜片，首先第二双凹负透镜L5能够将生物荧光的入射孔径扩大，有利于之后的第一弯月镜片对大孔径产生像差的进行校正，而且第二双凹负透镜L5和第一弯月正透镜L6组成第二胶合镜片，可以较大程度上校正生物荧光中不同折射率的光产生的球差、像散等色差，最后经过先后经过第二弯月正透镜L7和第三弯月正透镜L8，能够校正场曲。
在本实施方式的另一个实施例中，所述后镜组中还包括孔径光栏，所述孔径光栏设于所述第三双凸正透镜L4和所述第三弯月正透镜L8之间，如所述孔径光栏设于所述第一弯月正透镜L6和所述第二弯月正透镜L7之间，或者设于第二双胶合镜片和第二弯月正透镜L7之间，对于孔径光栏具体设置位置不做限制。其中，通过设置孔径光栏，可以通过调节生物荧光透射后镜组后进入像面光束的粗细，来提高成像的质量。
在本实施方式的另一个实施例中，所述第一双凸正透镜L1和所述第二双凸正透镜L2之间的间隔在19-20mm之间选择，如优选19.43mm；所述第一双凹负透镜L3和所述分色分光滤光片F1之间的间隔在20-23mm之间选择，如优选21.35mm；所述分色分光滤光片F1和所述柱面镜C1之间的间隔在6-15mm之间选择，如优选10.20mm；所述柱面镜C1与所述第三双凸正透镜L4之间的间隔在2-8mm之间选择，如优选5.28mm；所述第三双凸正透镜L4与所述第二双凹负透镜L5之间的间隔在0.02-0.5mm之间选择，如优选0.28mm；所述第一弯月正透镜L6与所述孔径光栏之间的间隔在0.8-3.6mm之间选择，如优选2.3mm；所述孔径光栏与所述第二弯月正透镜L7之间的间隔为0.1mm。
在本实施方式的另一个实施例中，所述第一双凸正透镜L1的厚度为6mm；所述第二双凸正透镜L2的厚度为4.93mm；所述第一双凹负透镜L3的厚度为1.00mm；所述分色分光滤光片F1到的厚度为2mm；所述柱面镜C1的厚度为2.5mm；所述第三双凸正透镜L4的厚度为1.44mm；所述第二双凹负透镜L5的厚度为1.00mm；所述第一弯月正透镜L6的厚度为2.13mm；所述第二弯月正透镜L7的厚度为7.89mm；所述第三弯月正透镜L8的厚度为9.00mm。
在本实施例方式的另一个实施例中，该镜头系统满足如下关系：
0.5<f1/f13<1.5；
0.3<f4/f48<1.2;
60<v2<96；
1.58<n5<1.66,40<v5<50；
其中：f1为所述第一双凸正透镜L1的焦距，f13为所述前镜组的组合焦距，f4为所述第三双凸正透镜L4的焦距，f48为所述后镜组的组合焦距，v2为所述第二双凸正透镜L2的阿贝数；n5为所述第二双凹负透镜L5的折射率，v5为所述第二双凹负透镜L5的阿贝数。通过设置满足上述关系的焦距、折射率及阿贝数，能够使本镜头系统的的对生物荧光和激发光源起到最佳分色分光效果，并能呈现最佳的成像效果。
在本实施方式的另一个实施例中，该系统还设有平行平板，所述平行平板设于所述后镜组和像面之间，平行平板为可以选用厚度0.7mm的探测器保护玻璃，起到保护作用。
实施例一
图1示出了本实施例中同轴远心镜头系统的示例性结构。
本实施例中，图1所示同轴远心镜头系统沿着物面到像面的各透镜的曲率半径、中心厚度、折射率和阿贝数满足表1所列条件。表1是图1所示同轴远心镜头系统的一种示例性设计值。
表1
面 R值 厚度 折射率 阿贝数
0 无穷大 110
1 241.41 6.0 1.7847 25.72
2 -70.35 19.42
3 25.31 4.93 1.5928 68.34
4 -34.68 1.0 1.6727 32.17
5 23.21 21.35
6 无穷大 2.0 1.5168 64.20
7 无穷大 10.20
8 柱面：16207 2.5 1.5168 64.20
9 无穷大 5.28
10 43.76 1.44 1.8160 46.55
11 -40.45 0.28
12 -56.93 1.0 1.6134 44.16
13 5.24 2.13 1.5796 53.74
14 24.66 2.30
光栏 无穷大 0.10
16 9.65 7.89 1.5691 71.30
17 7.74 23.55
18 19.08 9.0 1.9537 32.32
19 43.15
表1中，面序号根据图1所示结构中各透镜的表面顺序进行编号。其中，R值为曲率半径，代表透镜表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，“无穷大”代表该表面为平面。厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，柱面16207代表柱面镜的曲率半径。表1中，折射率和阿贝数为透镜所采用的镜片玻璃材料的光学参数，空格代表当前位置为空气。
一些示例中，本实施例同轴远心镜头系统各个镜片采用的材料为：所述第一双凸正透镜L1的材料为H-ZF13；所述第二双凸正透镜L2的材料为H-ZPK5；所述第一双凹负透镜L3的材料为H-ZF2；所述分色分光滤光片F1到的材料为H-K9L；所述柱面镜C1的厚度的材料为H-K9L；所述第三双凸正透镜L4的材料为H-ZLAF69；所述第二双凹负透镜L5的材料为H-TF3L；所述第一弯月正透镜L6的材料为H-BAF3；所述第二弯月正透镜L7的材料为H-ZPK7；所述第三弯月正透镜L8的材料为H-ZLAF89L。可以理解的是，本实施例中接收镜头系统中各透镜的镜片材料不限于上述示例，也可采用其他等效材料。
另外，图2是本实施例同轴远心镜头系统的MTF曲线图，可以看出本实施例中的同轴远心镜头系统具有较高的分辨率；图3是实施例同轴远心镜头系统的相对照度图，其中横坐标代表字段（Y field in millimeter），指视场，纵坐标代表相对照度值（relativeillumination）；图4是实施例同轴远心镜头系统的弥散斑图（spot diagram）；图5是实施例同轴远心镜头系统光学畸变图，其中左侧为场曲图（fieldcurvation），右侧为畸变图（distortion）。从相对照度图、弥散斑图以及光学畸变图可以看出本实施例的同轴远心镜头系统具有较高的成像质量。
需要说明的是，上述本申请所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本申请才公开部分数值以举例说明本申请的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本申请创造保护范围的限制。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同轴远心镜头系统，其特征在于，包括：
前镜组，具有正光焦度，包括第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第一双凹负透镜；
后镜组，具有正光焦度，包括第三双凸正透镜、第二双凹负透镜、第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜；
分色分光滤光片，所述分色分光滤光片的入射面上镀有分色分光膜；
光源；
其中，沿光线自物面向像面入射方向依次设置所述第一双凸正透镜、所述第二双凸正透镜、所述第一双凹负透镜、所述分色分光滤光片、所述第三双凸正透镜、所述第二双凹负透镜、所述第一弯月正透镜、所述第二弯月正透镜、所述第三弯月正透镜；
所述分色分光滤光片的入射面与所述光源的照射的方向，以及与物面至像面的入射方向均成夹角设置，且所述分色分光膜的入射角度与所述分色分光滤光片的入射面和物面至像面的入射方向的夹角角度相同；
所述镜头系统满足如下关系：
0.5<f1/f13<1.5；
0.3<f4/f48<1.2;
60<v2<96；
1.58<n5<1.66,40<v5<50；
其中：f1为所述第一双凸正透镜的焦距，f13为所述前镜组的组合焦距，f4为所述第三双凸正透镜的焦距，f48为所述后镜组的组合焦距，v2为所述第二双凸正透镜的阿贝数；n5为所述第二双凹负透镜的折射率，v5为所述第二双凹负透镜的阿贝数。
2.如权利要求1所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，还包括柱面镜，所述柱面镜设于所述分色分光滤光片和所述后镜组之间，所述柱面镜和所述分色分光滤光片满足如下关系式：
Figure 385952DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，P为所述柱面镜的光焦度，T为所述分色分光滤光片的厚度。
3.如权利要求2所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，所述第二双凸正透镜和所述第一双凹负透镜组成第一双胶合镜片。
4.如权利要求3所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，所述第二双凹负透镜和所述第一弯月正透镜组成第二双胶合镜片。
5.如权利要求4所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，所述后镜组中还设有孔径光栏，所述孔径光栏设于所述第三双凸正透镜和所述第三弯月正透镜之间。
6.如权利要求5所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，
所述第一双凸正透镜和所述第二双凸正透镜之间的间隔为19-20mm；
所述第一双凹负透镜和所述分色分光滤光片之间的间隔为20-23mm；
所述分色分光滤光片和所述柱面镜之间的间隔为6-15mm；
所述柱面镜与所述第三双凸正透镜之间的间隔为2-8mm；
所述第三双凸正透镜与所述第二双凹负透镜之间的间隔为0.02-0.5mm；
所述第一弯月正透镜与所述孔径光栏之间的间隔为0.8-3.6mm；
所述孔径光栏与所述第二弯月正透镜之间的间隔为0.1mm；
所述第二弯月正透镜与所述第三弯月正透镜之间的间隔为18-30mm。
7.如权利要求5所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，
所述第一双凸正透镜的材料为H-ZF13；
所述第二双凸正透镜的材料为H-ZPK5；
所述第一双凹负透镜的材料为H-ZF2；
所述分色分光滤光片到的材料为H-K9L；
所述柱面镜的厚度的材料为H-K9L；
所述第三双凸正透镜的材料为H-ZLAF69；
所述第二双凹负透镜的材料为H-TF3L；
所述第一弯月正透镜的材料为H-BAF3；
所述第二弯月正透镜的材料为H-ZPK7；
所述第三弯月正透镜的材料为H-ZLAF89L。
8.如权利要求1-7任一项所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，还包括平行平板，所述平行平板设于所述后镜组和像面之间。
9.如权利要求8所述的同轴远心镜头系统，其特征在于，所述平行平板为厚度0.7mm的玻璃。
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