CN114002815B - 一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组、第三镜组和第四镜组，其特征在于：所述第三镜组能够沿着光轴方向移动，显微镜物镜满足关系式：1.8<f1/f<7.2、3.5<f2/f<20、|f3/f|>20、3.1<‑f4/f<15、0.5<NA<0.83、0.3<d0/f<1.8；其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距，f为物镜整体的组合焦距，d0为物面到第一镜组物面侧镜面的距离，NA为显微镜物镜的物方数值孔径。

Description

一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜

技术领域

本发明涉及显微物镜技术领域，尤其涉及一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜。

背景技术

显微镜是人类探索微观世界的最直观而且常用的工具，而显微镜物镜是显微镜的最重要的光学器件。在生物医疗领域为了更直接的观察微小的生物及其组织结构，需要采用高倍率、大数值孔径、平场、复消色差的显微镜物镜。

倍率在60倍左右的物镜，为了分辨率，在一定程度上需要牺牲物镜的灵活性，为了改善显微镜的操作性，需要增大其工作距离，而传统的倍率60倍的物镜，工作距离比较短，操作性及工艺适应性比较差，数值孔径较小，分辨率不高。

因此，设计一种数值孔径大具有较好的成像性能、且工作距离较长的显微镜物镜是当前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜。

其技术方案是这样的：一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组、第三镜组和第四镜组，其特征在于：所述第三镜组能够沿着光轴方向移动，显微镜物镜满足关系式：

1.8 < f1/f < 7.2

3.5 < f2/f < 20

|f3/f| > 20

3.1 < -f4/f < 15

0.5 < NA < 0.83

0.3 < d0/f < 1.8

其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距，f为物镜整体的组合焦距，d0为物面到第一镜组物面侧镜面的距离，NA为显微镜物镜的物方数值孔径。

进一步的，所述第一镜组至少包含一个具有正光焦度的单透镜，且满足关系式：

0.25 < fs/f1< 1.5

其中，fs：第一镜组的一个正光焦度的单透镜焦距。

进一步的，所述第二镜组包含至少两个胶合透镜，且包含至少2个正透镜满足关系式：

Vds>70

其中，Vds为第二镜组的胶合透镜的正透镜色散系数。

进一步的，所述第三镜组至少包含一个胶合透镜。

进一步的，所述第三镜组的胶合透镜包含一个正透镜和一个负透镜，且满足关系式：

Nmt-Npt>0.15

Vdpt- Vdmt>25

其中，Nmt为第三镜组的一个负透镜的折射率，Npt为第三镜组的一个正透镜的折射率，Vdmt为第三镜组的一个负透镜的色散系数，Vdpt为第三镜组的一个正透镜的色散系数。

进一步的，所述第三镜组的胶合透镜采用正透镜、负透镜、正透镜三个透镜组成的胶合透镜，且至少一个第三镜组的正透镜满足关系式：

Vdt >80

其中，Vdt为第三镜组的胶合透镜的正透镜色散系数。

进一步的，所述第四镜组至少包含一个胶合透镜。

进一步的，所述第四镜组的胶合透镜采用负透镜、正透镜、负透镜三个透镜组成的胶合透镜，且满足关系式：

Npf-Nmf>0.11

Vdmf-Vdpf>25

其中，Nmf为第四镜组的一个负透镜的折射率，Npf为第四镜组的一个正透镜的折射率，Vdmf为第四镜组的一个负透镜的色散系数，Vdpf为第四镜组的一个正透镜的色散系数。

进一步的，所述显微镜透镜满足：

1.2 < (d2-d1)/f < 8

3.2 < (d1+d2)/f < 15

其中，d1为第二镜组与第三镜组之间的最大间隔，d2为第三镜组与第四镜组之间的最小间隔。

进一步的，所述显微镜透镜满足：

1.3 < f12/f < 7

其中，f12为第一镜组和第二镜组的组合焦距。

根据上述技术方案，本发明的显微镜物镜至少具有以下效果：

本发明通过透镜组合及各透镜的设计，能够增加显微镜物镜的工作距离达到长工作距离，避免物镜镜头触碰样本；长工作距离物镜的设计，方便操作，不易于载玻片相撞，能够满足光学系统的装配配置；本发明的物镜的数值孔径为0.5-0.83，提高了物镜分辨率，使得显微镜成像更清楚，观察效果更好。

附图说明

图1为具体实施例的显微镜物镜的组成示意图；

图2为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.17时的传递函数MTF图；

图3为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.8mm时的传递函数MTF图；

图4为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为1.3mm时的传递函数MTF图。

具体实施方式

见图1，本发明的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组、第三镜组和第四镜组，第三镜组能够沿着光轴方向移动，显微镜物镜满足关系式：

对于第一镜组的焦距，1.8 < f1/f < 7.2，其中f1：第一镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；可以避免第一镜组的焦距超过上限，导致第一镜组的屈光度不足，镜头结构臃肿，难以综合校正各种像差，避免第一镜组的焦距超过下限，产生过多的球差和场曲难以校正；

对于第二镜组的焦距，给出的参数限制3.5 < f2/f < 20，其中f2为第二镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；在此范围内，可以较好地校正球差，慧差和轴向色差，同时校正其它各种像差。

对于第三镜组的焦距，给出的参数限制|f3/f| > 20，其中f3为第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；由此可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差；

对于第四镜组的焦距，给出的参数限制3.1 < -f4/f < 15 ，其中f4为第四镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；由此避免焦距超过上限，产生过多的高级球差和2级光谱难以校正，避免焦距超过下限，产生过多的球差,慧差和色差难以校正。

同时，显微镜物镜还满足0.5 < NA < 0.83，使得本发明的显微镜物镜光学系统具有大的数值孔径，大数值孔径提高了物镜分辨率，可以良好地平衡各种像差，取得良好的成像效果，使得显微镜成像更清楚，观察效果更好。

此外，在本发明中，显微镜物镜满足关系式：

0.3 < d0/f < 1.8

其中，d0为物面到第一镜组的物面侧镜面的距离,也就是显微镜物镜的工作距离，R1为第一镜组靠近物方侧镜面的曲率半径，本发明通过透镜组合及各透镜的设计能够实现物镜的工作距离较长，避免工作距离太短，操作性能变差、或是产生过多的球差和色差，导致镜头结构复杂，难以综合校正各种像差。

本发明通过光学系统中的第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组进行设置，通过对于镜组光学参数的限定，使得物镜光学系统具有很好的光学性能，使得该物镜光学系统具有长工作距离、大数值孔径的特点。

在本发明的实施例中，第一镜组至少包含一个具有正光焦度的单透镜，且满足关系式：

0.25 < fs/f1< 1.5

其中，fs：第一镜组的一个正光焦度的单透镜焦距，在此范围内，可以较好地校正球差和轴向色差，同时校正其它各种像差。

在本发明的实施例中，第二镜组包含至少两个胶合透镜，且包含至少2个正透镜满足关系式：

Vds>70

其中，Vds为第二镜组的胶合透镜的正透镜色散系数，由此可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。

在本发明的实施例中，第三镜组至少包含一个胶合透镜，第三镜组的胶合透镜包含一个正透镜和一个负透镜，且满足关系式：

Nmt-Npt>0.15

Vdpt- Vdmt>25

其中，Nmt为第三镜组的一个负透镜的折射率，Npt为第三镜组的一个正透镜的折射率，Vdmt为第三镜组的一个负透镜的色散系数，Vdpt为第三镜组的一个正透镜的色散系数，可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。

在本发明的实施例中，第三镜组的胶合透镜采用正透镜、负透镜、正透镜三个透镜组成的胶合透镜，且至少一个第三镜组的正透镜满足关系式：

Vdt >80

其中，Vdt为第三镜组的胶合透镜的正透镜色散系数，可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。

另外，第三镜组能够沿着光轴方向移动，使得本发明的显微镜物镜带有补偿功能，在镜组沿光轴移动时可以平衡不同的平板厚度引起的附加像差。针对于不同厚度的平板，通过调整补偿物镜的轴向位置，可以始终保持良好的成像状态，大辐度提高了产品适用范围。

在本发明的实施例中，第四镜组至少包含一个胶合透镜，第四镜组的胶合透镜采用负透镜、正透镜、负透镜三个透镜组成的胶合透镜，且满足关系式：

Npf-Nmf>0.11

Vdmf-Vdpf>25

其中，Nmf为第四镜组的一个负透镜的折射率，Npf为第四镜组的一个正透镜的折射率，Vdmf为第四镜组的一个负透镜的色散系数，Vdpf为第四镜组的一个正透镜的色散系数。可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。

在本发明的实施例中，显微镜透镜满足：

3.2 < (d1+d2)/f < 15

其中，d1为第二镜组与第三镜组之间的最大间隔，d2为第三镜组与第四镜组之间的最小间隔，可以有效地校正系统的球差和色差，同时在镜组沿光轴移动时有效地平衡不同的平板厚度引起的附加像差。

在本发明的实施例中，显微镜透镜满足：

1.3 < f12/f < 7

其中，f12为第一镜组和第二镜组的组合焦距，在此范围内，可以较好地校正球差，慧差和轴向色差，同时校正其它各种像差。

具体在本发明的一个实施例中，显微镜物镜包括:

第一镜组G1，包括：第一透镜1，具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第二透镜2，具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第二镜组G2，包括：

胶合的第三透镜3和第四透镜4，

第三透镜3具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第四透镜4具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

胶合的第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7，

第五透镜5具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第六透镜6具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，

第七透镜7具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第三镜组G3，包括：胶合的第八透镜8、第九透镜9和第十透镜10，

第八透镜8具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第九透镜9具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，

第十透镜10具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第四镜组G4，包括：包括：胶合的第十一透镜11、第十二透镜12、第三透镜13，

第十一透镜11具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，

第十二透镜12具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第第三透镜13具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，

在该实施例中，满足：

第一透镜1，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足50<vd<70；

第二透镜2，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足80<vd<90；

第三透镜3，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足80<vd<90；

第四透镜4，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足50<vd<60；

第五透镜5，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足90<vd<100；

第六透镜6，折射率满足1.5<nd<1.7，色散系数满足40<vd<50；

第七透镜7，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足90<vd<100；

第八透镜8，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足50<vd<70；

第九透镜9，折射率满足1.7<nd<1.8，色散系数满足40<vd<60；

第十透镜10，折射率满足1.4<nd<1.5，色散系数满足90<vd<100；

第十一透镜11，折射率满足1.5<nd<1.6，色散系数满足50<vd<60；

第十二透镜12，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足30<vd<40；

第十三透镜13，折射率满足1.5<nd<1.6，色散系数满足60<vd<80。

其中，色散系数vd是体现光学材料的色散程度的常数，vd＝(nd－1)/(nF－nC)，

nF为波長486nm 的F线折射率，

nd为波長587nm的ｄ线折射率，

nC为波長656nm的Ｃ线折射率。

在本发明的一个实施例给出的显微镜物镜中，物镜焦距f=3.33，物方数值孔径NA=0.7，最大像高Hy=11，元件的光学参数如表1所示。

表1

在该实施例中，其特征参数如表2所示。

表2

对上述实施例中的显微镜物镜进行光学理论模拟，分别测试平板厚度时的镜头的性能；当平板厚度分别为0.17mm，0.8mm，1.3mm时，工作数值如表3所示，其中间隔（11）表示表面S11和表面S12之间的距离，间隔（15）表示表面S15和表面S16之间的距离。

表3

通过表3可知，本实施例的显微镜物镜具有补偿功能，第三镜组沿光轴移动时可以平衡不同的平板厚度引起的附加像差。针对于不同厚度的平板，通过调整补偿物镜的轴向位置，可以始终保持良好的成像状态，大辐度提高了产品适用范围。

对上述实施例中的显微镜物镜进行光学理论模拟，图2为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.17mm时的传递函数MTF图，图3为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.8mm时的传递函数MTF图，图4为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为1.3mm时的传递函数MTF图。

在图2，3，4光学系统的传递函数MTF图中，横轴为分辨率，单位是线对/毫米(lp/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)，是对镜头分辨率的一个定量描述。我们用调制度(Modulation)表示反差的大小。设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，调制度M定义为：M=(Imax－Imin)/(Imax＋Imin)。调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。

对于原来调制度为M的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为Mˊ，则MTF函数值为：MTF值= Mˊ/ M。

可以看出，MTF值必定介于0和1之间，并且越接近1、镜头的性能越好。如果镜头的MTF值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于MTF值。所以，MTF函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。

MTF曲线可以看出，具有代表性的0视场，0.5视场和最大视场的MTF值已经非常接近衍射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。

可以看出，本发明可以在很宽的可见光光谱范围内，绝大部分视场上接近物理光学的衍射极限。

本发明对第一镜组和第二镜组、第三镜组、第四镜组的焦点距离、折射率、阿贝数进行限定、使得显微镜物镜的场曲、像差敏感度得到进一步的改善，从而保证显微镜物镜的光学性能，使得该显微镜物镜具有大放大倍率、长工作距离、大数值孔径、高分辨率性能的特点，本发明提供的显微物镜在保持数值孔径不变的条件下，且不牺牲像差的情况下，可以得到工作距离较大的高倍物镜，能够大幅度改善检测时显微镜的操作性，具有作为长工作距物镜极为有用的卓越效果。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，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，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组、第三镜组和第四镜组，其特征在于：显微镜物镜满足关系式：

3.64 ≤ f1/f < 7.2

7.01≤f2/f < 20

|f3/f| ≥ 81.65

5.98 ≤-f4/f < 15

0.7 ≤ NA < 0.83

0.90 ≤ d0/f < 1.8

其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距，f为物镜整体的组合焦距，d0为物面到第一镜组物面侧镜面的距离，NA为显微镜物镜的物方数值孔径；

第一镜组由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面，第二透镜具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第二镜组由第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜组成，

第三透镜和第四透镜为胶合透镜，第五透镜、第六透镜和第七透镜为胶合透镜，

第三透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面，第四透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面，第五透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面，第六透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，第七透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第三镜组由第八透镜、第九透镜和第十透镜组成，第八透镜、第九透镜和第十透镜为胶合透镜，

第八透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面，第九透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，第十透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第四镜组由第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜组成，第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜为胶合透镜，第十一透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面，第十二透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面，第十三透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面。

2.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第一镜组中的第一透镜满足关系式：

0.25 < fs/f1< 1.5

其中，fs：第一镜组的第一透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第二镜组的第三透镜、第五透镜、第七透镜足关系式：

Vds>70

其中，Vds为第二镜组的第三透镜、第五透镜、第七透镜散系数。

4.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组能够沿着光轴方向移动。

5.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组的第九透镜和第十透镜满足关系式：

Nmt-Npt>0.15

Vdpt- Vdmt>25

其中，Nmt为第三镜组的第九透镜的折射率，Npt为第三镜组的第十透镜的折射率，Vdmt为第三镜组的第九透镜的色散系数，Vdpt为第三镜组的第十透镜的色散系数。

6.根据权利要求5所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组中第十透镜满足关系式：

Vdt>80

其中，Vdt为第三镜组的第十透镜的色散系数。

7.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述第四镜组满足关系式：

Npf-Nmf>0.11

Vdmf-Vdpf>25

其中，Nmf为第四镜组的第十一透镜或第十三透镜的折射率，Npf为第四镜组的第十二透镜的折射率，Vdmf为第四镜组的第十一透镜或第十三透镜的色散系数，Vdpf为第四镜组的第十二透镜的色散系数。

8.根据权利要求4所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述显微镜透镜满足：

3.2 < (d1+d2)/f < 15

其中，d1为第二镜组与第三镜组之间的最大间隔，d2为第三镜组与第四镜组之间的最小间隔。

9.根据权利要求1所述的一种具有大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述显微镜透镜满足：

1.3 < f12/f < 7

其中，f12为第一镜组和第二镜组的组合焦距。