CN114002816A - 一种40倍显微镜物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种40倍显微镜物镜，其在满足大数值孔径的条件下，物镜获得较长的工作距离，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，其特征在于：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，显微镜物镜满足关系式：1.3<f1/f<5.2；|f2/f|>15；1.9<‑f3/f<8.2；0.4<d0/f<2.1其中，f1：第一镜组的组合焦距，f2：第二镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距，d0：物面到第一镜组物面侧镜面的距离。

Description

一种40倍显微镜物镜

技术领域

本发明涉及显微物镜技术领域，尤其涉及一种40倍显微镜物镜。

背景技术

近年来生物医药、半导体行业高速发展，显微镜在相关行业的应用不断扩展。显微镜物镜是构成显微镜最重要的光学器件之一，随之对显微镜物镜的要求也越来越高，例如为了改善显微镜的操作性，要求显微镜物镜的工作距离越来越长，为了在显微镜上观察到更多细节，需要大放大倍率、大数值孔径等等。

传统的倍率40倍左右的显微镜物，工作距离比较短，而且随着大数值孔径的物镜，其边缘光束的高度显著增加，导致色差和球差等像差显著增大，因此传统上不得不牺牲工作距离来改善这些像差。这些困难都制约了显微镜物工作距离的增加。

为克服上述问题，需要使得显微镜物的数值孔径在尽可能大的情况下，使物镜获得较长的工作距离。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种40倍显微镜物镜，其在满足大数值孔径的条件下，物镜获得较长的工作距离。

其技术方案是这样的：一种40倍显微镜物镜，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，其特征在于：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，显微镜物镜满足关系式：

1.3<f1/f<5.2

|f2/f|>15

1.9<-f3/f<8.2

0.4<d0/f<2.1

其中，f1：第一镜组的组合焦距，f2：第二镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距，d0：物面到第一镜组物面侧镜面的距离。

进一步的，显微镜物镜满足关系式：

1.1<(d2-d1)/f<8

其中，d1：第一镜组与第二镜组之间的最小间隔，d2：第二镜组与第三镜组之间的最大间隔。

进一步的，所述第一镜组至少包含2个双凸透镜，且满足关系式：

Vdf>79

其中，Vdf为第一镜组的双凸透镜的色散系数。

进一步的，所述第一镜组中靠近物方的透镜为月牙透镜，朝向物方的面为凹面，且满足关系式：

2.3<fs/f<9

其中，fs：第一镜组中靠近物方的透镜的焦距。

进一步的，所述第二镜组包含至少1个胶合透镜。

进一步的，所述第二镜组的胶合透镜至少包含一个正透镜和一个负透镜，并满足关系式：

Nms-Nps>0.13

Vdps-Vdms>20

其中，Nms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Nps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的色散系数。

进一步的，所述第三镜组包含至少1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，满足关系式：

Npt-Nmt>0.08

Vdmt-Vdpt>18

Nmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Npt为所述第三镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdpt为所述第三镜组的胶合透镜中一个正透镜的色散系数。

进一步的，所述第三镜组靠近像方的透镜为双凹透镜，且满足关系式：

0.8<R1/f<5

其中，R1：第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径。

进一步的，所述显微镜物镜的物方数值孔径NA满足关系式：0.35<NA<0.75。

根据上述技术方案，本发明至少具有以下效果：

本发明通过透镜组合及各透镜的设计能够实现物镜的工作距离较长，避免物镜触碰样本，造成物镜镜头的损坏；长工作距离物镜的设计，方便操作，不易于载玻片相撞，此外，本发明的物镜的数值孔径较大，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40倍显微镜物镜的组成示意图；

图2为具体实施例中的40倍显微镜物镜在平板厚度为0时的传递函数MTF图；

图3为具体实施例中的40倍显微镜物镜在平板厚度为1.2mm时的传递函数MTF图；

图4为具体实施例中的40倍显微镜物镜在平板厚度为2mm时的传递函数MTF图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

见图1，本发明的一种40倍显微镜物镜，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，其特征在于：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，

显微镜物镜满足关系式：

1.3<f1/f<5.2

|f2/f|>15

1.9<-f3/f<8.2

0.4<d0/f<2.1

其中，f1：第一镜组的组合焦距，f2：第二镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距，d0：物面到第一镜组物面侧镜面的距离。

对于第一镜组的焦距，给出的参数限制1.3<f1/f<5.2，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|f2/f|>15，其中f2：第二镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；以此可以较好地校正光学系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。第二镜组作为一个可移动的镜组，在第二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。

对于第三镜组的焦距，给出的参数限制1.9<-f3/f<8.2，其中f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；可以较好地校正高级球差，轴向色差和场曲。

同时，本发明的显微镜物镜还满足0.4<d0/f<2.1，d0为物面到第一镜组物面侧镜面的距离，也就是显微镜物镜的工作距离，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，避免物镜触碰样本，造成物镜镜头的损坏；长工作距离物镜的设计，方便操作，不易于载玻片相撞。

此外，本发明的物镜的数值孔径较大，显微镜物镜的物方数值孔径NA满足关系式：0.35<NA<0.75，大数值孔径提高了物镜分辨率，使得显微镜成像更清楚，观察效果更好。

本发明通过光学系统中的第一镜组、第二镜组、第三镜组进行设置，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大放大倍率、大数值孔径、高分辨率性能、长工作距离的特点。

此外，在本发明中，显微镜物镜满足关系式：

1.1<(d2-d1)/f<8

其中，d1：第一镜组与第二镜组之间的最小间隔，d2：第二镜组与第三镜组之间的最大间隔，通过对于第一镜组、第二镜组、第三镜组之间的间隔的限定，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。

在本发明中，第一镜组至少包含2个双凸透镜，且满足关系式：

Vdf>79

其中，Vdf为第一镜组的双凸透镜的色散系数，以此可以方便校正球差，倍率色差和2级光谱色差。

在本发明中，第一镜组中靠近物方的透镜为月牙透镜，朝向物方的面为凹面，且满足关系式：

2.3<fs/f<9

其中，fs：第一镜组中靠近物方的透镜的焦距，以此可以方便校正球差，尤其是高级球场和慧差。

在本发明中，第二镜组包含至少1个胶合透镜，第二镜组的胶合透镜至少包含一个正透镜和一个负透镜，并满足关系式：

Nms-Nps>0.13

Vdps-Vdms>20

其中，Nms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Nps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的色散系数，对于第二镜组的参数设置，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。

在本发明中，第二镜组第三镜组包含至少1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，满足关系式：

Npt-Nmt>0.08

Vdmt-Vdpt>18

Nmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Npt为所述第三镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdpt为所述第三镜组的胶合透镜中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。

同时，第三镜组靠近像方的透镜为双凹透镜，且满足关系式：

0.8<R1/f<5

其中，R1：第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径，通过：第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径的限制，可以避免产生过多的高级球差和2级光谱难以校正，避免产生过多的球差,慧差和色差难以校正。

本发明通过对第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组的焦距、折射率、色散系数进行限定、使得显微镜物镜光学系统的场曲、畸变、像差敏感度得到进一步的改善，从而保证显微镜物镜光学系统的光学性能，使得该显微镜物镜光学系统具有大放大倍率、大数值孔径、高分辨率性能、镜片数量少、长工作距离的特点。

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；

胶合的第二透镜2和第三透镜3，第二透镜2具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面；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；

胶合的第四透镜4和第五透镜5，第四透镜4具有负的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凹面；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，具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第二镜组G2，包括：胶合的第七透镜7和第八透镜8，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；第八透镜8具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面；

第三镜组G3，包括：胶合的第九透镜9和第十透镜10，第九透镜9具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；第十透镜10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40<vd<60；

第二透镜2，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足40<vd<60；

第三透镜3，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足70<vd<90；

第四透镜4，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足20<vd<40；

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1.4<nd<1.5，色散系数满足90<vd<100；

第七透镜7，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足70<vd<90；

第八透镜8，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足50<vd<60；

第九透镜9，折射率满足1.6<nd<1.8，色散系数满足30<vd<40；

第十透镜10，折射率满足1.4<nd<1.6，色散系数满足70<vd<90。

在本发明的一个实施例给出的显微镜物镜中，物镜焦距f＝5mm，物方数值孔径NA＝0.6，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。

(1)	f1/f	2.29
			(2)	|f2/f|	31.76
(3)	-f3/f	3.94
			(4)	d0/f	0.92
(5)	(d2-d1)/f	2.36
			(6)	R1/f	1.59
(7)	fs/f	4.59
			(8)	NA	0.6

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0mm，1.2mm，2mm时，工作数值如表3所示，其中间隔(10)表示表面S10和表面S11之间的距离，间隔(13)表示表面S13和表面S14之间的距离。

表3

在工业显微镜使用中，会需要通过样本容器、盖玻片、基板等透光平行平面板观测样品，然而样本容器、盖玻片或基板具有多种规格，其厚度各不相同，会导致标本与显微镜物镜间的样本容器或基板的平板厚度发生变化，从而会产生附加光学像差；

对于数值孔径比较大的物镜，如超过0.3左右，只能适用于某种特定的玻璃平板厚度，平板厚度变化大了，成像质量会急剧下降，使用场景受到很大限制。数值孔径越大，受平板厚度的影响越严重。

在本发明中，通过将第二镜组设置成能够沿着光轴方向移动，可以补偿承载标本的样本容器或玻璃载板带来的附加光学像差，在满足大数值孔径的情况下，可以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，大幅度提高了产品适用范围，在如此高的数值孔径NA＝0.6的技术指标的情况下，还能具备补偿平板厚度的附加像差功能。

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1.2mm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2mm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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种40倍显微镜物镜，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，其特征在于：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，

显微镜物镜满足关系式：

1.3<f1/f<5.2

|f2/f|>15

1.9<-f3/f<8.2

0.4<d0/f<2.1

其中，f1：第一镜组的组合焦距，f2：第二镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距，d0：物面到第一镜组物面侧镜面的距离。

2.根据权利要求1所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：显微镜物镜满足关系式：

1.1<(d2-d1)/f<8

其中，d1：第一镜组与第二镜组之间的最小间隔，d2：第二镜组与第三镜组之间的最大间隔。

3.根据权利要求1所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第一镜组至少包含2个双凸透镜，且满足关系式：

Vdf>79

其中，Vdf为第一镜组的双凸透镜的色散系数。

4.根据权利要求3所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第一镜组中靠近物方的透镜为月牙透镜，朝向物方的面为凹面，且满足关系式：

2.3<fs/f<9

其中，fs：第一镜组中靠近物方的透镜的焦距。

5.根据权利要求1所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第二镜组包含至少1个胶合透镜。

6.根据权利要求5所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第二镜组的胶合透镜至少包含一个正透镜和一个负透镜，并满足关系式：

Nms-Nps>0.13

Vdps-Vdms>20

其中，Nms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Nps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdms为所述第二镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdps为所述第二镜组的胶合透镜中一个正透镜的色散系数。

7.根据权利要求1所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组包含至少1个胶合透镜。

8.根据权利要求7所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组的胶合透镜包含一个正透镜和一个负透镜，满足关系式：

Npt-Nmt>0.08

Vdmt-Vdpt>18

Nmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的折射率，Npt为所述第三镜组的胶合透镜中一个正透镜的折射率，Vdmt为所述第三镜组的胶合透镜中一个负透镜的色散系数，Vdpt为所述第三镜组的胶合透镜中一个正透镜的色散系数。

9.根据权利要求7所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组靠近像方的透镜为双凹透镜，且满足关系式：

0.8<R1/f<5

其中，R1：第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径。

10.根据权利要求1所述的一种40倍显微镜物镜，其特征在于：所述显微镜物镜的物方数值孔径NA满足关系式：0.35<NA<0.75。

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