CN114002817B - 一种显微镜物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于不同平板厚度的，且具有大数值孔径的高精度显微镜物镜，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，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：0.8<f1/f<3.5、3.5<f2/f<20、0.3<NA<0.6，其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f为物镜整体的组合焦距，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，尤其涉及一种显微镜物镜。

背景技术

显微镜有时需要透过放置在观察标本上的盖玻片等进行观察；在细胞培养、基因操作等生物技术领域，需要使用倒立显微镜透过玻璃底盘、塑料底盘对标本进行观察；在液晶、半导体等领域，有时需要透过基板或窗口对物体的进行观察；如果物体或标本与显微镜物镜间的平板厚度有差异时，则会产生附加光学像差，其成像性能随着数值孔径(N.A.)的增加会显著恶化。显微镜数值孔径是显微镜物镜和聚光镜的一个参数，是判断物镜和聚光镜性能高低的重要标志。

然而当前的高精度显微镜物镜，对于显微镜物镜的数值孔径要求越来越高，而满足大数值孔径的显微镜物镜又难以适应不同平板厚度。为此研发开发适用于不同平板厚度的，且具有大数值孔径高精度显微镜物镜，成为业内急需解决的课题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种适用于不同平板厚度的，且具有大数值孔径的高精度显微镜物镜。

其技术方案是这样的：一种显微镜物镜，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：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，

显微镜物镜满足关系式：

0.8<f1/f<3.5

3.5<f2/f<20

7<f3/f<35

6<-f4/f<30

0.3<NA<0.6

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，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：

0.8<fs/f<3.5

其中，fs为第一镜组的一个正光焦度的单透镜焦距。

进一步的，所述第二镜组至少包含一个胶合透镜，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，且满足关系式：

Nm-Np>0.2

其中，Nm为第二镜组的一个负透镜的折射率，Np为第二镜组的一个正透镜的折射率。进一步的，所述第二镜组的胶合透镜满足关系式：

Vdp-Vdm>25

其中，Vdm为第二镜组的一个负透镜的色散系数，Vdp为第二镜组的一个正透镜的色散系数。

进一步的，所述第三镜组至少包含一个胶合透镜，所述第三镜组的胶合透镜至少包含一个正透镜，且满足关系式：

Vdt>70

其中，Vdt为第三镜组的胶合透镜的正透镜的色散系数。

进一步的，所述第四镜组至少包含两个胶合透镜，且满足关系式：

0.4<R1/f<1.8

0.22<|R2/f|<0.9

其中，R1为第四镜组物面侧镜面的曲率半径，R2为第四镜组中曲率半径的绝对值最小镜面的曲率半径。

进一步的，所述第四镜组最靠近物方的镜面为朝向物方的凸面；所述第四镜组最靠近像方的镜面为朝向像方的凸面；在所述第四镜组的其中两个相邻的胶合透镜中，相邻的两个面为一对相向的凹面。

进一步的，所述第四镜组至少包含一个正透镜，所述第四镜组的正透镜满足关系式：Vdf>81

其中，Vdf为第四镜组的正透镜的色散系数。

进一步的，所述显微镜物镜的透镜中，至少有3片透镜满足关系式：

Vd>70

其中，Vd为透镜的色散系数。

在本发明显微镜物镜中，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，实现了在高的数值孔径技术指标范围，还能具备补偿平板厚度的附加像差功能。

附图说明

图1为具体实施例的物镜系统的组成示意图；

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0.7mm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。

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，第二镜组能够沿着光轴方向移动，

显微镜物镜满足关系式：

0.8<f1/f<3.5

3.5<f2/f<20

7<f3/f<35

6<-f4/f<30

0.3<NA<0.6

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，f4：第四镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距，为物面到第一镜组物面侧镜面的距离，NA：显微镜物镜的物方数值孔径。

对于第一镜组的焦距的参数限制0.8<f1/f<3.5，可以避免第一镜组的焦距超过上限，导致镜组的屈光度不足，导致镜头结构臃肿，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的参数限制3.5<f2/f<20，可以避免第二镜组的焦距超过上限，导致镜组的屈光度不足，导致镜头结构臃肿，难以综合校正各种像差，避免第二镜组的焦距超过下限，产生过多的球差和慧差难以校正；

对于第三镜组的焦距的参数限制7<f3/f<35，可以较好地校正球差和轴向色差，同时校正其它各种像差；

对于第四镜组的焦距的参数限制6<-f4/f<30，可以更好的校正高级球差，轴向色差和场曲；

在本发明的显微镜物镜满足0.3<NA<0.6，从而使得显微镜物镜具有大数值孔径，可以良好地平衡各种像差，取得良好的成像效果，其是行业内同类产品少有的，比较高的技术指标。

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。有些数值孔径较大的物镜，只能适用于0.17毫米的标准盖玻片。这些物镜在没有标准盖玻片或者盖玻片的厚度不是0.17毫米时，成像质量就会急剧下降，甚至不能使用。

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的技术指标范围，还能具备补偿平板厚度的附加像差功能，是非常难得的。

此外，在本发明中，通过设置第二镜组满足Nm-Np>0.2以及Vdp-Vdm>25，从而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。

而对于第四镜组，设置约束0.4<R1/f<1.8，可以避免R1/f的数值超过上限，产生过多的高级球差和2级光谱难以校正，且避免R1/f的数值超过下限，产生过多的球差,慧差和色差难以校正。

设置约束0.22<|R2/f|<0.9，可以避免R2/f的数值超过上限或者下限，难以校正球差，轴向色差和场曲。

此外，在本发明中，显微镜物镜的透镜中，至少有3片透镜满足关系式：

Vd>70

其中，Vd为透镜的色散系数，且在第三镜组中，其中至少一个正透镜，且满足关系式：

Vdt>70

其中，Vdt为第三镜组的胶合透镜的正透镜的色散系数，通过对于色散系数的约束，方便校正球差，倍率色差和2级光谱色差。

在本发明中，第四镜组最靠近物方的镜面为朝向物方的凸面；第四镜组最靠近像方的镜面为朝向像方的凸面；

第四镜组至少包含一个正透镜，第四镜组的正透镜满足关系式：Vdf>81，其中，Vdf为第四镜组的正透镜的色散系数。

在第四镜组的其中两个相邻的胶合透镜中，相邻的两个面为一对相向的凹面。

具体在本发明的一个实施例中，显微镜物镜满足:

第一镜组G1，包括：第一透镜1，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，其物面侧为凸面，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；

第三镜组G3，包括：胶合的第四透镜4和第五透镜5，第四透镜4具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；第五透镜5具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第四镜组G4，包括两组胶合透镜：

胶合的第六透镜6和第七透镜7，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；第七透镜7具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面；

胶合的第八透镜8和第九透镜9，第八透镜8具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；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。

在该实施例中，满足：

第一透镜1，折射率nd满足1.5<nd<1.7，色散系数vd满足50<vd<70；

第二透镜2，折射率nd满足1.6<nd<1.8，色散系数vd满足50<vd<70；

第三透镜3，折射率nd满足1.3<nd<1.6，色散系数vd满足90<vd<100；

第四透镜4，折射率nd满足1.3<nd<1.6，色散系数vd满足90<vd<100；

第五透镜5，折射率nd满足1.5<nd<1.7，色散系数vd满足40<vd<50；

第六透镜6，折射率nd满足1.4<nd<1.6，色散系数vd满足90<vd<100；

第七透镜7，折射率nd满足1.5<nd<1.8，色散系数vd满足50<vd<70；

第八透镜8，折射率nd满足1.4<nd<1.6，色散系数vd满足60<vd<80；

第九透镜9，折射率nd满足1.6<nd<1.8，色散系数vd满足40<vd<50。

且满足0.45<d0/f<1.6，d0为显微镜物镜的工作距离。

具体的，显微镜物镜其满足物镜焦距f＝9，物方数值孔径NA＝0.45，最大像高Hy＝11，本发明提供了一种实施例的显微镜物镜的具体光学参数，如下表1：

表1

在该实施例中，其特征参数如表2所示。

(1)	f1/f	1.72
			(2)	f2/f	6.91
(3)	d0/f	0.90
			(4)	R1/f	0.81
(5)	|R2/f|	0.45
			(6)	-f4/f	12.98
(7)	f3/f	13.38
			(8)	fs/f	1.72
(9)	NA	0.45

表2

对上述实施例中的显微镜物镜进行光学理论模拟，分别测试平板厚度不同时的镜头的性能；当平板厚度分别为0mm，0.7mm，2mm时，工作数值如表3所示，其中间隔(2)表示表面S2和表面S3之间的距离，间隔(5)表示表面S5和表面S6之间的距离。

平板厚度	0	0.7	2
				工作距离d0	8.14	7.71	6.92
间隔(2)	1.89	1.48	0.66
				间隔(5)	0.65	1.07	1.88
第二镜组移动量	0	0.42	1.23

表3

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0.7mm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)，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。

图2、3、4中，衍射极限值如TS DIFF LIMIT所示，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MTF值接近物理光学的衍射极限，即是成像质量指标接近理想状况下的极限值，说明成像质量非常好。

从而表面，本实施例的显微镜物镜在满足大数值孔径的前提下，可以针对不同的平板厚度的情况进行补偿，补偿平板厚度带来的附加光学像差，得到良好成像质量。

本实施例的显微镜物镜具备良好的加工性能，具备优异的成像性能，具有广阔的应用前景。

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 (8)

1.一种显微镜物镜，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：所述第二镜组能够沿着光轴方向移动，

显微镜物镜满足关系式：

f1/f =1.72

f2/f =6.91

d0/f=0.90

0.3 < NA ≤0.45

13.38≤ f3/f < 35

6 < -f4/f ≤ 12.98

其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，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，f3为第三镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距；

第一镜组由第一透镜组成，第一透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面，第一透镜折射率nd满足1.5<nd<1.7；

第二镜组由第二透镜和第三透镜组成，第二透镜和第三透镜为胶合透镜，第二透镜具有负的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凹面；第三透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第三镜组由第四透镜和第五透镜组成，第四透镜和第五透镜为胶合透镜，第四透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；第五透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第四镜组由第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜组成，第六透镜和第七透镜为胶合透镜，第八透镜和第九透镜为胶合透镜，

第六透镜具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；

第七透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面；

第八透镜具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；

第九透镜具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面，第九透镜色散系数vd满足40<vd<50。

2.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第一镜组的第一透镜具有正的光焦度，满足关系式：

0.8 < fs/f < 3.5

其中，fs为第一镜组的第一透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第二镜组的第二透镜和第三透镜分别为负透镜和正透镜，且满足关系式：

Nm-Np>0.2

其中，Nm为第二镜组的第二透镜的折射率，Np为第二镜组的第三透镜的折射率。

4.根据权利要求3所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第二镜组的第二透镜和第三透镜满足关系式：

Vdp-Vdm>25

其中，Vdm为第二镜组的第二透镜的色散系数，Vdp为第二镜组的第三透镜的色散系数。

5.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第三镜组中第四透镜为正透镜，满足关系式：

Vdt>70

其中，Vdt为第三镜组的第四透镜的色散系数。

6.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第四镜组满足关系式：

0.4 < R1/f < 1.8

0.22 < |R2/f| < 0.9

其中，R1为第四镜组第九透镜的物面侧镜面的曲率半径，R2为第四镜组中曲率半径的绝对值最小镜面的曲率半径。

7.根据权利要求6所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述第四镜组的第六透镜满足关系式：

Vdf>81

其中，Vdf为第四镜组的第六透镜的色散系数。

8.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述显微镜物镜的透镜中，第三透镜、第四透镜、第六透镜、第八透镜满足关系式：

Vd>70

其中，Vd为透镜的色散系数。