CN113376821A - 一种高分辨率显微成像光学系统 - Google Patents

一种高分辨率显微成像光学系统 Download PDF

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CN113376821A CN202110302046.9A CN202110302046A CN113376821A CN 113376821 A CN113376821 A CN 113376821A CN 202110302046 A CN202110302046 A CN 202110302046A CN 113376821 A CN113376821 A CN 113376821A
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Abstract

本申请提供了一种高分辨率显微成像光学系统，其技术方案要点是：包括：沿光轴从物到像依次排列的：第一镜组，沿光轴从物到像依次排列有正光焦度或光焦度为零第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、负光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜、负光焦度的第八透镜；第二镜组，沿光轴从物到像依次排列有正光焦度的第九透镜以及负光焦度的第十透镜；第一透镜组的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：0.45≤φA/φ≤0.65；第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：‑0.05≤φB/φ≤‑0.025。本申请提供的高分辨率显微成像光学系统具有在长工作距离下实现高分辨率观测的优点。

Description

一种高分辨率显微成像光学系统
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种高分辨率显微成像光学系统。
背景技术
在水环境中，微型生物如细菌、藻类以及生物碎屑形成的颗粒性有机碳是水环境中食物链以及碳循环过程的主要参与者与承担者。研究上述微小生物或微小颗粒在食物链维持或碳循环过程中的作用，是从微观层面探索与分析水环境中物质循环及变化机理的重要手段。尤其是水环境中微型生物的动态变化过程，由于种类繁多，尺度很小，精确检测与分类的难度较大，需要采用显微观测技术进行研究。
在微观成像领域，显微光学系统作为核心组件发挥了极其重要的作用，可实现对微型生物的微米级甚至亚微米级的观测成像。显微光学系统的主要技术指标包括工作距离、分辨率、放大倍率、焦深、成像视场等，这些指标相互之间是互相制约，互相影响。在大倍率显微成像中，由于数值孔径较大，成像分辨率较高，显微光学系统难以实现长工作距离的观测，需要贴近物面进行观测以降低设计难度。
通过激光照射水下微型生物或微小颗粒，收集其散射光或者微弱荧光可以推演物质的结构，并进一步获得微型生物或颗粒的种类或活体状态，采用宽谱段显微光学系统可以同时满足以上功能，但像差校正难度大；为实现对水环境中细菌、藻类等微型生物的活体、原位观测，被检测物体需要与显微光学系统保持一定距离，然而，当前大数值孔径高倍率显微物镜难以满足长工作距离下的高分辨率观测。
针对上述问题，亟需一种解决方案。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种高分辨率显微成像光学系统，具有在宽谱段以及长工作距离下实现高分辨率观测的优点。
第一方面，本申请实施例提供了一种高分辨率显微成像光学系统，技术方案如下：
包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
第一镜组，所述第一镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有第一透镜、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、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜；
第二镜组，所述第二镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有具有正光焦度的第九透镜以及具有负光焦度的第十透镜；
所述第二透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第三透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凹透镜；
所述第一透镜组的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.65；
所述第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.05≤φB/φ≤-0.025。
进一步地，在本申请实施例中，所述第六透镜与所述第七透镜之间设置有孔径光阑。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜靠近物侧的一面为平面、靠近像侧的一面为凸面。
进一步地，在本申请实施例中，物面到所述第一透镜的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.35f。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一透镜靠近物侧的一面与物面的中心间隔为3.5mm，所述第一透镜靠近像侧一面的曲率半径为14.8mm，所述第二透镜的靠近物侧一面的曲率半径为14.8mm、靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm，所述第一透镜靠近物侧的通光孔径为10.3mm、靠近像侧的通光孔径为16.6mm，所述第二透镜靠近物侧的通光孔径为16.6mm，靠近像侧的通光孔径为22.5mm；并且，所述第一透镜的中心厚度为5.6mm，所述第二透镜200的中心厚度为6.7mm；
所述第三透镜靠近像侧一面的曲率半径为32.6mm、通光孔径为31.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为149.9mm、通光孔径为29.4mm；并且，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为32.6mm；
所述第四透镜靠近像侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，靠近物侧一面的曲率半径为-30.4mm、通光孔径为35.2mm，所述第五透镜靠近像侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，所述第六透镜靠近像侧一面的曲率半径为33.7mm、通光孔径为34.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm；并且，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为14.6mm，所述第五透镜在中轴线上的厚度为15.5mm，所述第六透镜在中轴线上的厚度为16.4mm；
所述第七透镜靠近像侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-111.3mm、通光孔径为32mm，所述第八透镜靠近像侧一面的曲率半径为80.4mm、通光孔径为31.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm；并且，所述孔径光阑与所述第六透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第七透镜与所述孔径光阑在中轴线上的间隔为0.2mm，所述第七透镜在中轴线上的厚度为12.9mm，所述第八透镜在中轴线上的厚度为4mm；
所述第九透镜靠近像侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.7mm、通光孔径为30mm，所述第十透镜靠近像侧一面的曲率半径为-15.7mm、通光孔径为16.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm；并且，所述第九透镜与所述第八透镜在中轴线上的间隔为51.4mm，所述第九透镜在中轴线上的厚度为13.6mm，所述第十透镜在中轴线上的厚度为12mm。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一透镜为平面镜，所述第一透镜靠近物侧的一面与靠近像侧的一面均为平面。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一透镜到物平面的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.3f。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一镜组A的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.55；
所述第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.045≤φB/φ≤-0.025。
进一步地，在本申请实施例中，所述第一透镜与物面在中轴线上的间隔为3mm，所述第一透镜的厚度为5mm，所述第二透镜靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm、通光孔径为22.7mm，靠近物侧一面的曲率半径为69.5mm、通光孔径为17.6mm，所述第三透镜靠近像侧一面的曲率半径为32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为89.8mm、通光孔径为29mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为1.2mm，所述第二透镜在中轴线上的厚度为9.1mm，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为9.3mm；
所述第四透镜靠近像侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.2mm、通光孔径为37.6mm，所述第五透镜靠近像侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，所述第六透镜靠近像侧一面的曲率半径为28.1mm、通光孔径为35mm，靠近物侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm；并且，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为19mm，所述第五透镜在中轴线上的厚度为4mm，所述第六透镜在中轴线上的厚度为19.8mm；
所述第七透镜靠近像侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm，靠近物侧一面的曲率半径为-275.3mm、通光孔径为27.4mm，所述第八透镜靠近像侧一面的曲率半径为93.9mm、通光孔径为28.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm；并且，所述第七透镜与所述第六透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第七透镜在中轴线上的厚度为11.3mm，所述第八透镜在中轴线上的厚度为4mm；
所述第九透镜靠近像侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm，靠近物侧一面的曲率半径为-22.2mm、通光孔径为24.4mm，所述第十透镜靠近像侧一面的曲率半径为-13.6mm、通光孔径为14.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm；并且，所述第九透镜与所述第八透镜在中轴线上的间隔为76.8mm，所述第九透镜在中轴线上的厚度为16.1mm，所述第十透镜在中轴线上的厚度为3mm。
进一步地，在本申请实施例中，所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜组成三胶合透镜，所述第九透镜以及所述第十透镜组成双胶合透镜。
由上可知，本申请实施例提供的一种高分辨率显微成像光学系统，利用第一透镜和第二透镜将大数值孔径的光线进行准直，然后通过第四透镜、第五透镜以及第六透镜校正宽谱段下的色差以及获得平场效果，接着利用第七透镜和第八透镜产生的正球差来补偿系统前端引起的负球差，并对色差进行补偿，最后通过第九透镜和第十透镜实现光线的准直输出，并补偿系统中残余的球差、彗差以及色差，具有在宽谱段以及长工作距离下实现高分辨率观测的有益效果。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种高分辨率显微成像光学系统结构示意图。
图2为本申请实施例提供的光学系统的光学传递函数曲线分布图。
图3为本申请实施例提供的光学系统的波像差分布图。
图4为本申请实施例提供的一种高分辨率显微成像光学系统结构示意图。
图5为本申请实施例提供的光学系统的光学传递函数曲线分布图。
图6为本申请实施例提供的光学系统的波像差分布图。
图中：100、第一透镜；200、第二透镜；300、第三透镜；400、第四透镜；500、第五透镜；600、第六透镜；700、第七透镜；800、第八透镜；900、第九透镜；1000、第十透镜；1100、孔径光阑。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1至图6，一种高分辨率显微成像光学系统，其技术方案具体包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
第一镜组，第一镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有第一透镜100、具有正光焦度的第二透镜200、具有正光焦度的第三透镜300、具有正光焦度的第四透镜400、具有负光焦度的第五透镜500、具有正光焦度的第六透镜600、具有正光焦度的第七透镜700、具有负光焦度的第八透镜800；
第二镜组，第二镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有具有正光焦度的第九透镜900以及具有负光焦度的第十透镜1000；
第二透镜200靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，第三透镜300靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，第四透镜400为双凸透镜，第五透镜500为双凹透镜，第六透镜600为双凸透镜，第七透镜700为双凸透镜，第八透镜800靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，第九透镜900为双凸透镜，第十透镜1000为双凹透镜；
第一透镜100组的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.65；
第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.05≤φB/φ≤-0.025。
通过上述技术方案，利用第一透镜100和第二透镜200将大数值孔径的光线进行准直，然后通过第四透镜400、第五透镜500以及第六透镜600校正宽谱段下的色差以及获得平场效果，接着利用第七透镜700和第八透镜800产生的正球差来补偿系统前端引起的负球差，并对色差进行补偿，最后通过第九透镜900和第十透镜1000实现光线的准直输出，并补偿系统中残余的球差、彗差以及色差，具有在宽谱段以及长工作距离下实现高分辨率观测的有益效果。
参照图1，其中，在一些实施例中，本申请所记载的技术方案，采用了摄远型结构，即由一个前正透镜组和一个后负透镜组组成，同时，第一镜组的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：0.45≤φA/φ≤0.65；
第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.05≤φB/φ≤-0.025；
第一透镜100具有正光焦度，第一透镜100靠近物侧的一面为平面、靠近像侧的一面为凸面。物面到第一透镜100的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.35f。
通过上述技术方案，在满足该条件下的光学系统在保证成像质量的同时使整体结构更紧凑，在光学放大倍率达到20倍的情况下，可以实现光线总长小于或等于160mm，这是目前市场现有技术中心所无法达到的，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。
在其中一些实施例中，第六透镜600与第七透镜700之间设置有孔径光阑1100。
通过上述技术方案，在第六透镜600与第七透镜700之间设置有孔径光阑1100用于调节光线的强弱，孔径光阑1100设置在第六透镜600与第七透镜700之间可以保证近轴条件，改善成像质量，校正像差。
具体的，在其中一些具体实施例方式中，第一透镜100靠近物侧的一面与物面的中心间隔为3.5mm，第一透镜100靠近像侧一面的曲率半径为14.8mm，第二透镜200的靠近物侧一面的曲率半径为14.8mm、靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm，第一透镜100靠近物侧的通光孔径为10.3mm、靠近像侧的通光孔径为16.6mm，所述第二透镜200靠近物侧的通光孔径为16.6mm，靠近像侧的通光孔径为22.5mm；并且，第一透镜100的中心厚度为5.6mm，第二透镜200200的中心厚度为6.7mm，第一透镜100与第二透镜200组成双胶合透镜；
第三透镜300靠近像侧一面的曲率半径为32.6mm、通光孔径为31.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为149.9mm、通光孔径为29.4mm；并且，第三透镜300与第二透镜200在中轴线上的间隔为0.1mm，第三透镜300在中轴线上的厚度为32.6mm；
第四透镜400靠近像侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，靠近物侧一面的曲率半径为-30.4mm、通光孔径为35.2mm，第五透镜500靠近像侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，第六透镜600靠近像侧一面的曲率半径为33.7mm、通光孔径为34.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm；并且，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为0.1mm，第四透镜400在中轴线上的厚度为14.6mm，第五透镜500在中轴线上的厚度为15.5mm，第六透镜600在中轴线上的厚度为16.4mm；
第七透镜700靠近像侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-111.3mm、通光孔径为32mm，第八透镜800靠近像侧一面的曲率半径为80.4mm、通光孔径为31.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm；并且，孔径光阑1100与第六透镜600在中轴线上的间隔为0.1mm，第七透镜700与孔径光阑1100在中轴线上的间隔为0.2mm，第七透镜700在中轴线上的厚度为12.9mm，第八透镜800在中轴线上的厚度为4mm；
第九透镜900靠近像侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.7mm、通光孔径为30mm，第十透镜1000靠近像侧一面的曲率半径为-15.7mm、通光孔径为16.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm；并且，第九透镜900与第八透镜800在中轴线上的间隔为51.4mm，第九透镜900在中轴线上的厚度为13.6mm，第十透镜1000在中轴线上的厚度为12mm。
该光学系统的参数设置如下表所示：
面序号 名称 曲率半径mm 间隔mm 材料 通光孔径mm
1 第十透镜 -15.7 12 H-ZLAF55 Φ16.6
2 第九透镜 54.4 13.6 H-ZF13 Φ24.5
3 -26.7 51.4 Φ30.0
4 第八透镜 80.4 4 H-ZF52 Φ31.6
5 第七透镜 19.9 12.9 H-FK61 Φ30.5
6 -111.3 0.2 Φ32.0
7 孔径光阑 ∞ 0.1 Φ32.4
8 第六透镜 33.7 16.4 H-FK61 Φ34.4
9 第五透镜 -32.1 15.5 H-ZF3 Φ33.4
10 第四透镜 32.0 14.6 H-FK61 Φ34.2
11 -30.4 0.1 Φ35.2
12 第三透镜 32.6 6.3 H-ZF52 Φ31.4
13 149.9 0.1 Φ29.4
14 第二透镜 13.2 6.7 H-ZLAF68 Φ22.5
15 第一透镜 14.8 5.6 H-K9L Φ16.6
16 ∞ 3.5 Φ10.3
17 物面 ∞ / 水或生物浸液 Φ0.03
值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从像侧到物侧依次排列的各透镜的镜面。
其中，中轴线与光轴重合。
通过上述参数设置，具体限定了各透镜的参数、位置，通过这样的参数设置以及位置设置，入射光以不低于110°的孔径角入射到双胶合透镜中，第一透镜100和第二透镜200组成的双胶合透镜将大数值孔径的光线进行准直，并且第二透镜200处于不晕位置，可以在获得大光焦度的同时大幅度的降低球差与彗差，使用第三透镜300进一步对光线进行准直，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，然后第四透镜400、第五透镜500以及第六透镜600组成三胶合透镜，通过三胶合透镜可以十分有效的对宽普频道色差进行校正，获得优异的成像效果同时缩减尺寸，第七透镜700与第八透镜800的胶合面背向光线，产生较大的正球差用来补偿该光学系统前端引起的负球差同时用于校正色差，通过第七透镜700以及第八透镜800校正该光学系统中的大部分球差以及部分色差，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使用第九透镜900和第十透镜1000组成的双胶合透镜构成弱光焦度透镜组，实现对光线的准直输出，将前端光线全部转换成平行光，并对系统中残余的球差、彗差以及色差进行校正，从而获得高质量的成像效果，同时缩减尺寸，使整体结构更加紧凑，便于使用和推广。
上述光学系统所达到的技术指标如下：
物方数值孔径：1.1；
物方成像尺寸：0.03mm；
物方工作距离：3.5mm；
成像波长：500nm~750nm；
倍率：20X；
光学总长：≤160mm。
使用该光学系统主要解决宽谱段、长工作距离以及大数值孔径成像引起的高级像差及色差校正难题。为了实现优于300nm的高分辨率，显微光学系统的数值孔径达到1.1以上；由于工作距离达到3.5mm，光学透镜的口径迅速增加，轴向色差、球差以及正弦差等孔径相关的高级像差急剧增加，包括五级、七级高阶像差。为解决高级像差校正难题，采用正负光焦度分离光学结构，结合三胶合透镜校正宽谱段色差的方法，并利用厚透镜以及不晕透镜。主要对靠近物面一侧的透镜组进行复杂化设计，采用了近乎不晕的胶合透镜承担光焦度，降低像差的引入；采用三胶合透镜校正系统的宽谱段色差。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了轴向色差、球差及彗差等像差；获得了接近衍射极限的成像质量，在工作距离达到3.5mm的条件下，成像分辨率优于300nm，物镜焦距10mm，与标准筒镜组合后可以实现20倍的高倍率成像，这是市面上现有产品难以实现的。
本发明光学系统的总长仅160mm，且只采用了10片透镜达到近衍射极限成像质量，具有系统紧凑，制造成本低的优点，有利于推广。
图2表征了本发明实施例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在1670lp/mm时达到了0.36，接近了衍射极限，成像质量良好。
图3表征了本发明实施例中整个光学系统的波像差分布图，最小均方根波像差为0.048λ，最大为0.066λ，平均值为0.056λ，剩余像差较小，基本达到了衍射极限。
如图4所示，在另外一些实施例中，第一透镜100为平面镜，第一透镜100靠近物侧的一面与靠近像侧的一面均为平面，第一透镜100到物平面的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.3f。
第一镜组A的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.55；
第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.045≤φB/φ≤-0.025。
其中，第一透镜100主要用于与密闭水环境进行连接，例如在水箱侧壁开设有通孔，第一透镜100则与该通孔进行连接，用于实现水下观测。
通过上述技术方案，利用物侧的光线入射至第一透镜100，由于第一透镜100的前后介质折射率不同会放大入射光线的孔径角，大数值孔径的光线经过第二透镜200以及第三透镜300后被准直，然后利用第四透镜400、第五透镜500以及第六透镜600来校正宽谱频段下的色差以及平场效果，通过第七透镜700以及第八透镜800产生正球差来补偿系统前端产生的负球差，并对色差进行补偿，最后通过第九透镜900以及第十透镜1000实现光线的准直输出并补偿残余的球差、彗差以及色差，具有在深水环境以及大数值孔径下实现长工作距离观测的有益效果。
具体的，第一镜组A的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.55；
第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.045≤φB/φ≤-0.025；
物面到第一透镜100的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.3f。在满足该条件下的光学系统在保证成像质量的同时使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。
在其中一些实施例中，第一透镜100与物面在中轴线上的间隔为3mm，第一透镜100的厚度为5mm，第二透镜200靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm、通光孔径为22.7mm，靠近物侧一面的曲率半径为69.5mm、通光孔径为17.6mm，第三透镜300靠近像侧一面的曲率半径为32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为89.8mm、通光孔径为29mm，第二透镜200与第一透镜100在中轴线上的间隔为1.2mm，第二透镜200在中轴线上的厚度为9.1mm，第三透镜300与第二透镜200在中轴线上的间隔为0.1mm，第三透镜300在中轴线上的厚度为9.3mm；
第四透镜400靠近像侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.2mm、通光孔径为37.6mm，第五透镜500靠近像侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，第六透镜600靠近像侧一面的曲率半径为28.1mm、通光孔径为35mm，靠近物侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm；并且，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为0.1mm，第四透镜400在中轴线上的厚度为19mm，第五透镜500在中轴线上的厚度为4mm，第六透镜600在中轴线上的厚度为19.8mm；
第七透镜700靠近像侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm，靠近物侧一面的曲率半径为-275.3mm、通光孔径为27.4mm，第八透镜800靠近像侧一面的曲率半径为93.9mm、通光孔径为28.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm；并且，第七透镜700与第六透镜600在中轴线上的间隔为0.1mm，第七透镜700在中轴线上的厚度为11.3mm，第八透镜800在中轴线上的厚度为4mm；
第九透镜900靠近像侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm，靠近物侧一面的曲率半径为-22.2mm、通光孔径为24.4mm，第十透镜1000靠近像侧一面的曲率半径为-13.6mm、通光孔径为14.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm；并且，第九透镜900与第八透镜800在中轴线上的间隔为76.8mm，第九透镜900在中轴线上的厚度为16.1mm，第十透镜1000在中轴线上的厚度为3mm。
该光学系统的参数设置如下表所示：
面序号 名称 曲率半径mm 间隔mm 材料 通光孔径mm
1 第十透镜 -13.6 3.0 H-ZLAF76 Φ14.4
2 第九透镜 30.1 16.1 H-ZF7LA Φ18.0
3 -22.2 76.8 Φ24.4
4 第八透镜 93.9 4.0 H-ZF52 Φ28.1
5 第七透镜 17.1 11.3 H-FK61 Φ27.0
6 -275.3 0.1 Φ27.4
7 孔径光阑 ∞ 0.1 Φ30.1
8 第六透镜 28.1 19.8 H-FK61 Φ35.0
9 第五透镜 -28.1 4 H-LAF2 Φ35.1
10 第四透镜 26.2 19.0 H-FK61 Φ35.8
11 -26.2 0.1 Φ37.6
12 第三透镜 32.1 9.3 H-ZF52 Φ33.4
13 89.8 0.1 Φ29.0
14 第二透镜 13.2 9.1 H-ZPK2A Φ22.7
15 69.5 1.2 Φ17.6
16 第一透镜 ∞ 5 蓝宝石或石英 Φ12.5
17 ∞ 3 Φ6.1
18 物面 ∞ / 水或生物浸液 Φ0.03
值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从像侧到物侧依次排列的各透镜的镜面。
其中，中轴线与光轴重合。
通过上述技术方案，使用第一透镜100、第二透镜200以及第三透镜300对大数值孔径的光线进行准直，在保证成像质量的同时缩减尺寸，使整体结构更加紧凑，然后通过第四透镜400、第五透镜500以及第六透镜600来校正宽谱段下的色差以及校正二级光谱时获得平场效果，在保证成像质量的同时缩减尺寸，接着由第七透镜700和第八透镜800来校正系统中的球差和色差，在保证成像质量的同时缩减尺寸，最后通过第九透镜900和第十透镜1000对光线进行准直，输出平行光线，并对残余像差进行补差，在保证获取高质量的成像效果的同时缩减尺寸，使整体结构更加紧凑，便于使用和推广。
通过上述参数设置，该光学系统所达到的技术指标如下：
物方数值孔径：0.95；
物方成像尺寸：0.03mm；
物方工作距离：3.0mm；
第一透镜100的厚度：≥5mm；
成像波长：500nm~750nm；
倍率：20X；
光学总长：≤180mm。
使用该光学系统主要解决光学系统工作在深水环境下，大数值孔径以及长工作距离引起的高级像差及色差校正难题。为了实现优于350nm的高分辨率，显微物镜的数值孔径达到0.95以上；由于显微物镜与水介质之间有较大的工作距离，在第一透镜100空气一侧的光学孔径角达到144°，轴向色差、球差以及正弦差等孔径相关的高级像差急剧增加，包括五级、七级高阶像差。为解决高级像差校正难题，采用了近乎不晕的单透镜承担光焦度，以及三胶合透镜结合鼓型厚透镜的方式校正宽谱段色差以及获得平场效果。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了轴向色差、球差及彗差等像差；获得了接近衍射极限的成像质量，在水介质中工作距离达到3.0mm以及第一透镜100的厚度不低于5mm的需求下，成像分辨率优于350nm，物镜焦距10mm，与标准筒镜组合后可以实现20倍的高倍率成像。本发明光学系统的总长仅180mm，且只采用了10片透镜达到近衍射极限成像质量，具有系统紧凑，成本低等优点，尤其有利于实现在深水环境下对微型生物的原位活体观测，应用价值较高。
图5表征了本发明实施例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在1428lp/mm时达到了0.42，达到了衍射极限，成像质量良好。
图6表征了本发明实施例中整个光学系统的波像差分布图，最小均方根波像差为0.023λ，最大为0.039λ，平均值为0.031λ，达到了衍射极限。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
第一镜组，所述第一镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有具有正光焦度或光焦度为零的第一透镜、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、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜；
第二镜组，所述第二镜组沿光轴从物侧到像侧依次排列有具有正光焦度的第九透镜以及具有负光焦度的第十透镜；
所述第二透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第三透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜靠近物侧的一面为凹面、靠近像侧的一面为凸面，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凹透镜；
所述第一透镜组的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.65；
所述第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.05≤φB/φ≤-0.025。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第六透镜与所述第七透镜之间设置有孔径光阑。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜靠近物侧的一面为平面、靠近像侧的一面为凸面。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，物面到所述第一透镜的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.35f。
5.根据权利要求4所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠近物侧的一面与物面的中心间隔为3.5mm，所述第一透镜靠近像侧一面的曲率半径为14.8mm，所述第二透镜的靠近物侧一面的曲率半径为14.8mm、靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm，所述第一透镜靠近物侧的通光孔径为10.3mm、靠近像侧的通光孔径为16.6mm，所述第二透镜靠近物侧的通光孔径为16.6mm，靠近像侧的通光孔径为22.5mm；并且，所述第一透镜的中心厚度为5.6mm，所述第二透镜200的中心厚度为6.7mm；
所述第三透镜靠近像侧一面的曲率半径为32.6mm、通光孔径为31.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为149.9mm、通光孔径为29.4mm；并且，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为32.6mm；
所述第四透镜靠近像侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，靠近物侧一面的曲率半径为-30.4mm、通光孔径为35.2mm，所述第五透镜靠近像侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为32mm、通光孔径为34.2mm，所述第六透镜靠近像侧一面的曲率半径为33.7mm、通光孔径为34.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为-32.1mm、通光孔径为33.4mm；并且，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为14.6mm，所述第五透镜在中轴线上的厚度为15.5mm，所述第六透镜在中轴线上的厚度为16.4mm；
所述第七透镜靠近像侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-111.3mm、通光孔径为32mm，所述第八透镜靠近像侧一面的曲率半径为80.4mm、通光孔径为31.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为19.9mm、通光孔径为30.5mm；并且，所述孔径光阑与所述第六透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第七透镜与所述孔径光阑在中轴线上的间隔为0.2mm，所述第七透镜在中轴线上的厚度为12.9mm，所述第八透镜在中轴线上的厚度为4mm；
所述第九透镜靠近像侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.7mm、通光孔径为30mm，所述第十透镜靠近像侧一面的曲率半径为-15.7mm、通光孔径为16.6mm，靠近物侧一面的曲率半径为54.4mm、通光孔径为24.5mm；并且，所述第九透镜与所述第八透镜在中轴线上的间隔为51.4mm，所述第九透镜在中轴线上的厚度为13.6mm，所述第十透镜在中轴线上的厚度为12mm。
6.根据权利要求2所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜为平面镜，所述第一透镜靠近物侧的一面与靠近像侧的一面均为平面。
7.根据权利要求6所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜到物平面的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.3f。
8.根据权利要求7所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一镜组A的光焦度φA与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.45≤φA/φ≤0.55；
所述第二镜组的光焦度φB与整个光学系统的光焦度φ的比值满足：
-0.045≤φB/φ≤-0.025。
9.根据权利要求8所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜与物面在中轴线上的间隔为3mm，所述第一透镜的厚度为5mm，所述第二透镜靠近像侧一面的曲率半径为13.2mm、通光孔径为22.7mm，靠近物侧一面的曲率半径为69.5mm、通光孔径为17.6mm，所述第三透镜靠近像侧一面的曲率半径为32.1mm、通光孔径为33.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为89.8mm、通光孔径为29mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为1.2mm，所述第二透镜在中轴线上的厚度为9.1mm，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为9.3mm；
所述第四透镜靠近像侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，靠近物侧一面的曲率半径为-26.2mm、通光孔径为37.6mm，所述第五透镜靠近像侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为26.2mm、通光孔径为35.8mm，所述第六透镜靠近像侧一面的曲率半径为28.1mm、通光孔径为35mm，靠近物侧一面的曲率半径为-28.1mm、通光孔径为35.1mm；并且，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为19mm，所述第五透镜在中轴线上的厚度为4mm，所述第六透镜在中轴线上的厚度为19.8mm；
所述第七透镜靠近像侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm，靠近物侧一面的曲率半径为-275.3mm、通光孔径为27.4mm，所述第八透镜靠近像侧一面的曲率半径为93.9mm、通光孔径为28.1mm，靠近物侧一面的曲率半径为17.1mm、通光孔径为27mm；并且，所述第七透镜与所述第六透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第七透镜在中轴线上的厚度为11.3mm，所述第八透镜在中轴线上的厚度为4mm；
所述第九透镜靠近像侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm，靠近物侧一面的曲率半径为-22.2mm、通光孔径为24.4mm，所述第十透镜靠近像侧一面的曲率半径为-13.6mm、通光孔径为14.4mm，靠近物侧一面的曲率半径为30.1mm、通光孔径为18mm；并且，所述第九透镜与所述第八透镜在中轴线上的间隔为76.8mm，所述第九透镜在中轴线上的厚度为16.1mm，所述第十透镜在中轴线上的厚度为3mm。
10.根据权利要求1所述的一种高分辨率显微成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜组成三胶合透镜，所述第九透镜以及所述第十透镜组成双胶合透镜。
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