CN113960755A - 一种长前工作距离的套筒透镜和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长前工作距离的套筒透镜，包括沿光轴方向依次分布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，所述第一透镜包括具有正光焦度透镜；所述第二透镜，包括具有负光焦度透镜，用于矫正慧差；所述第三透镜包括具有正光焦度的双凸透镜；第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，所述双胶合透镜具有负光焦度。本发明实施例能够使套筒透镜的长前工作距离在一定范围内可调，降低设计和调试难度，成像质量好，可广泛应用于光学元件领域。

Description

一种长前工作距离的套筒透镜和成像系统
技术领域
本发明涉及光学元件领域，尤其涉及一种长前工作距离的套筒透镜和成像系统。
背景技术
基因测序仪在测序过程中需要对ATCG四种碱基分别进行荧光成像，常用的成像模式为双通道成像及四通道成像。双通道成像使用两组成像模块对样品进行成像，但是完成四种碱基的荧光成像需要拍两次。而四通道的成像模式仅需要一次成像即可完成对四种碱基的拍照，拍照时间比双通道节省了一倍；但是，由于每个成像通道自身体积的限制，在测序仪中同时排布下四个通道，则要求某个或某几个成像通道和成像物镜之间留有一定的空间间隔，并且还要求该间隔范围内还能保持较好的成像效果。每个成像通道都由相机、滤光片和套筒透镜组成，成像通道和物镜之间的距离，是由套筒透镜的前工作距离决定的。套筒透镜的前工作距离越长，四个成像通道在空间上就更容易排布，也会极大地降低光机设计上的难度；另外，四个通道之间较大的空间距离也方便之后每个通道的成像调试，降低调试难度，提升调试效率。
目前市面上的套筒透镜前工作距离一般在180mm以下，该长度能满足近端通道的排布，但是对远端通道的排布影响较大。有某些应用于激光扫描方向的套筒透镜，其前工作距离长度可达230mm左右，但是该工作距离是一个定值，在实际使用中需要严格的机械公差来保证。这对四个成像通道的位置排布、光机的设计、装配及成像调试都有较高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种长前工作距离的套筒透镜和成像系统，能够使套筒透镜的长前工作距离在一定范围内可调，降低设计和调试难度，成像质量好。
第一方面，本发明实施例提供了一种长前工作距离的套筒透镜，包括沿光轴方向依次分布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，
所述第一透镜包括具有正光焦度透镜；
所述第二透镜，包括具有负光焦度透镜，用于矫正慧差；
所述第三透镜包括具有正光焦度的双凸透镜；
第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，所述双胶合透镜具有负光焦度。
可选地，所述第二透镜为弯月透镜且靠近物方一侧表明为凹面，靠近像方一侧表明为凸面。
可选地，所述弯月透镜凹面的曲率半径为-56.38±0.2mm，所述弯月透镜凸面的曲率半径为-78.94±0.2mm。
可选地，所述第一透镜的焦距满足以下关系：
3.4<fL1/f<4
其中，fL1表示第一透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述第二透镜的焦距满足以下关系：
-2.3<fL2/f<-1.9
其中，fL2表示第二透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述第三透镜的焦距满足以下关系：
0.53<fL3/f<0.72
其中，fL3表示第三透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述双胶合透镜的焦距满足以下关系：
-1.62<fL45/f<-1.5
其中，fL45表示双胶合透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
第二方面，本发明实施例提供了一种成像系统，包括物镜和若干个成像通道，所述若干个成像通道中至少一个成像通道包括上述的套筒透镜。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中物镜发出的光依次经过具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜及具有负光焦度的双胶合透镜，第二透镜可以矫正慧差，从而实现套筒透镜的长前工作距离在一定范围内可调，降低设计和调试难度；另外，该套筒透镜在可见光范围内近衍射极限成像，边缘和中心视野的成像清晰度及照明亮度几乎一致，有效减少了由于光机排布问题导致的测序通量下降。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种长前工作距离的套筒透镜的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种300mm和100mm前工作距离的套筒透镜的光路图；
图3是本发明实施例提供的一种300mm前工作距离的套筒透镜的像方点列图；
图4是本发明实施例提供的一种100mm前工作距离的套筒透镜的像方点列图；
图5是本发明实施例提供的一种成像系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种长前工作距离的套筒透镜，包括沿光轴方向依次分布的第一透L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5；其中，
所述第一透镜L1包括具有正光焦度透镜；
所述第二透镜L2，包括具有负光焦度透镜，用于矫正慧差；
所述第三透镜L3包括具有正光焦度的双凸透镜；
第四透镜L4和第五透镜L5组成双胶合透镜，所述双胶合透镜具有负光焦度。
可选地，所述第二透镜为弯月透镜且靠近物方一侧表明为凹面，靠近像方一侧表明为凸面。
可选地，所述弯月透镜凹面的曲率半径为-56.38±0.2mm，所述弯月透镜凸面的曲率半径为-78.94±0.2mm。
可选地，所述第一透镜的焦距满足以下关系：
3.4<fL1/f<4
其中，fL1表示第一透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述第二透镜的焦距满足以下关系：
-2.3<fL2/f<-1.9
其中，fL2表示第二透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述第三透镜的焦距满足以下关系：
0.53<fL3/f<0.72
其中，fL3表示第三透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
可选地，所述双胶合透镜的焦距满足以下关系：
-1.62<fL45/f<-1.5
其中，fL45表示双胶合透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
在一些实施例中，长前工作距离的套筒透镜的具体参数如表一所示。其中，参阅图1，第一透镜L1沿光轴方向的两个面依次分别为M1和M2，第二透镜沿光轴方向的两个面依次分别为M3和M4，第三透镜沿光轴方向的两个面依次分别为M5和M6，第四透镜L4和第五透镜L5组成双胶合透镜，双胶合透镜沿光轴方向的第一个面为M7、胶合面为M8且第二面为M9。M1的曲率半径为191.44mm且厚度为8mm，M2的曲率半径为344.53mm且厚度为6.9mm，第一透镜L1的折射率为1.59，阿贝数为68.34；M3的曲率半径为-56.38mm且厚度为15mm，M4的曲率半径为-78.94mm且厚度为7.7mm，第二透镜L2的折射率为1.64，阿贝数为33.84；M5的曲率半径为214.28mm且厚度为8mm，M6的曲率半径为-145.88mm且厚度为0.3mm，第三透镜L3的折射率为1.69，阿贝数为49.23；M7的曲率半径为80.01mm且厚度为9.2mm，M8的曲率半径为-109.14mm且厚度为8mm，M9的曲率半径为54.17mm且厚度为179mm，第四透镜L4的折射率为1.59且阿贝数为68.34，第五透镜L5的折射率为1.61且阿贝数为44.09。
表一
面编号 曲率半径/mm 厚度/mm 折射率 阿贝数
M1 191.44 8 1.59 68.34
M2 344.53 6.9
M3 -56.38 15 1.64 33.84
M4 -78.94 7.7
M5 214.28 8 1.69 49.23
M6 -145.88 0.3
M7 80.01 9.2 1.59 68.34
M8 -109.14 8 1.61 44.09
M9 54.17 179
图2为图1中的前工作距离为300mm和100mm套筒透镜的光路图，图3为前工作距离300mm时的像方点列图，图4为前工作距离100mm时的像方点列图；结合图2、图3和图4可知，此套筒透镜的前工作距离100～300mm范围内，在可见光范围内的成像效果都接近衍射极限，边缘和中心视野成像清晰度及照明亮度及几乎一致，有效的避免了由于光机排布问题导致的测序通量下降，此套筒透镜的像质较好。
需要说明的是，本发明实施例中的套筒透镜的工作距离范围在100～300mm，成像视野可设计为20mm，透镜入瞳可设计为20mm，焦距可设计为200mm，该指标和市场上常用的商业化套筒透镜指标一致。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中物镜发出的光依次经过具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜及具有负光焦度的双胶合透镜，第二透镜可以矫正慧差，从而实现套筒透镜的长前工作距离在一定范围内可调，降低设计和调试难度；另外，该套筒透镜在可见光范围内近衍射极限成像，边缘和中心视野的成像清晰度及照明亮度几乎一致，有效减少了由于光机排布问题导致的测序通量下降，成像质量好。
本发明实施例提供了一种成像系统，包括物镜和若干个成像通道，所述若干个成像通道中至少一个成像通道包括上述的套筒透镜。
需要说明的是，成像通道的具体数量可根据实际需求进行设置，本发明实施例不做具体限制。
具体地，如图5所示，成像系统包括4个成像通道，每个成像通道包括相机C、滤光片P和套筒透镜Q，物镜W发出的光经过第一反射镜F1反射到第一二向色镜N1；第一波长段的光透过第一二向色镜N1进入成像通道1，剩余光经过N1反射到第二二向色镜N2；第二波长段的光通过第二二向色镜N2反射进入成像通道2，剩余光透过N2到达到第三二向色镜N3；第三波长段的光由第三二向色镜N3反射进入成像通道3，剩余光透过N3到达第二反射镜F2，并由第二反射镜F2反射进入成像通道4。
本领域技术人员可以理解的是，在图5中至少成像通道4需要一款长前工作距离的套筒透镜来满足成像要求以及宽松的光机排布需求，四个通道(尤其成像通道4)中的套筒透镜均可采用本发明实施例中的套筒透镜。如果套筒透镜不在工作距离范围内成像，会造成以下两个结果。一个是由于距离较远，套筒透镜无法完全接收由物镜发出的样品荧光信号，因此视野边缘位置较暗。二是由于边缘光线有部分遮挡，因此边缘成像分辨率会有所下降，导致边缘不清晰。综上两个结果最终导致了成像边缘的样品信号无法识别，造成了测序通量的下降。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中物镜发出的光依次经过具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜及具有负光焦度的双胶合透镜，第二透镜可以矫正慧差，从而实现套筒透镜的长前工作距离在一定范围内可调，降低设计和调试难度；另外，该套筒透镜在可见光范围内近衍射极限成像，边缘和中心视野的成像清晰度及照明亮度几乎一致，有效减少了由于光机排布问题导致的测序通量下降，成像质量好。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种长前工作距离的套筒透镜，其特征在于，包括沿光轴方向依次分布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，
所述第一透镜包括具有正光焦度透镜；
所述第二透镜，包括具有负光焦度透镜，用于矫正慧差；
所述第三透镜包括具有正光焦度的双凸透镜；
第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，所述双胶合透镜具有负光焦度。
2.根据权利要求1所述的套筒透镜，其特征在于，所述第二透镜为弯月透镜且靠近物方一侧表明为凹面，靠近像方一侧表明为凸面。
3.根据权利要求2所述的套筒透镜，其特征在于，所述弯月透镜凹面的曲率半径为-56.38±0.2mm，所述弯月透镜凸面的曲率半径为-78.94±0.2mm。
4.根据权利要求1所述的套筒透镜，其特征在于，所述第一透镜的焦距满足以下关系：
3.4<fL1/f<4
其中，fL1表示第一透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
5.根据权利要求4所述的套筒透镜，其特征在于，所述第二透镜的焦距满足以下关系：
-2.3<fL2/f<-1.9
其中，fL2表示第二透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
6.根据权利要求5所述的套筒透镜，其特征在于，所述第三透镜的焦距满足以下关系：
0.53<fL3/f<0.72
其中，fL3表示第三透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
7.根据权利要求6所述的套筒透镜，其特征在于，所述双胶合透镜的焦距满足以下关系：
-1.62<fL45/f<-1.5
其中，fL45表示双胶合透镜的焦距，f表示套筒透镜的焦距。
8.一种成像系统，其特征在于，包括物镜和若干个成像通道，所述若干个成像通道中至少一个成像通道包括如权利要求1-7任一项所述的套筒透镜。
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