CN114114633B - 五组七片的微型浸液物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了五组七片的微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，其他为Q型非球面透镜，第三透镜、第四透镜为双胶合透镜；各透镜的面型从物面至像面依次为平面、向像面凸起，向物面凸起、向像面凸起，向物面凸起、向像面凸起、向像面凸起，向物面凸起、向物面凸起，向像面凸起，向物面凸起、向物面凸起。离开第一透镜的边缘光线从光轴发散，经第二透镜向光轴弯曲，经第三透镜进一步会聚，第四透镜、第五透镜则用来校正球差、色差、彗差等，最终将光线会聚到像面上，实现高质量成像。
Description
技术领域
本发明属于共聚焦显微内窥镜领域，更具体地，涉及五组七片的微型浸液物镜。
背景技术
探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)是一种可以借助胃镜、结肠镜等通道进入人体自然腔道，获取局部组织学图像来实现微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断的医疗设备。因为具有快速、准确且无创等特点，它可能在不久的将来取代传统的内镜活检与病理学检查，成为胃肠道疾病及早期胃肠道癌变诊断的主要手段及设备。
微型浸液物镜是探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件。在共聚焦显微内窥镜中，激光器激发激光，通过激光扫描装置和耦合物镜对光纤束的端面进行扫描，将激光聚焦后注入到光纤束的每一根纤芯中，在光纤束的另一端，注入的激光通过微型浸液物镜聚焦在被观测组织上，被观测物体在注入激光的激发下发出荧光，微型浸液物镜收集来自组织的荧光信号，并沿原光路返回。作为探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件，微型浸液物镜会进入胃镜、结肠镜等内镜的器械孔道。对一般的胃镜、结肠镜等内镜而言，器械孔道的内镜在2.8-3.8mm之间。为了兼容不同内镜的器械孔道，微型浸液物镜的机械外径最好小于2.8mm，同时考虑内镜的构造，微型浸液物镜的整体长度受到了限制。
因此，微型浸液物镜的设计需要考虑很多方面的因素，包括更小的外径、更小的曲率半径、更小的边厚等，但是，这些因素又会导致制造装配时良率显著降低，对装配要求极为苛刻，并且量产成本也较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了五组七片的微型浸液物镜，其目的在于解决同时保证微型浸液物镜的优秀参数和生产良率等方面的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了五组七片的微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜为Q型非球面透镜，第三透镜、第四透镜均为双胶合透镜；
第一透镜靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第三透镜靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向像面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第四透镜靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向物面凸起，靠近像面的一面向像面凸起，第五透镜的两面均向物面凸起。
通过上述技术方案，除第一透镜外，其他均采用Q型非球面透镜，来提高微型浸液物镜中各透镜的良率，离开第一透镜的边缘光线从光轴发散，然后通过第二透镜向光轴弯曲光线，再通过双胶合的第三透镜进一步会聚由物方发出的大数值孔径的光线，第四透镜、第五透镜则用来校正前面透镜参与的各种像差，例如球差、色差、彗差等，最终将光线会聚到像面上，实现高质量成像。
附图说明
图1是五组七片的微型浸液物镜的结构图；
图2是实施例的光程差曲线图；
图3是实施例的MTF曲线图；
图4是实施例的色焦移曲线图。
图中，L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、第四透镜；L5、第五透镜；6、光阑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出五组七片的微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5，第一透镜L1为球面透镜，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5为Q型非球面透镜，第三透镜L3、第四透镜L4均为双胶合透镜；
第一透镜L1靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜L2靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第三透镜L3靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向像面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第四透镜L4靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向物面凸起，靠近像面的一面向像面凸起，第五透镜L5的两面均向物面凸起。
进一步地，第三透镜L3与第四透镜L4之间设置有光阑6。光阑6的中心厚度为0.05mm、通光全孔径为1.86mm。光阑6位于第三透镜L3与第四透镜L4之间，将微型显微物镜分为两个部分，第一部分部分包括第一透镜L1，第二透镜L2及第三透镜L3，第二部分包括剩下的第四透镜L4及第五透镜L5。第二部分校正第一部分参与的各种像差，尤其是球差、色差、彗差等，从而将光线会聚到像面，进行高质量成像。
进一步地，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均具有正光焦度，在五组七片的微型浸液物镜中，它们的焦距满足以下关系：0<fL1<fL3<fL2<fL5<fL4；fL1、fL2、fL3、fL4、fL5分别是第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5的焦距。
物方激发的荧光的信号从物面开始，依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5后成像在像面，然后沿着传像光纤束成像在光电探测器上，从而实现对组织的探测。具体地，第一透镜L1接近半球形透镜，这样配置有助于在高数值孔径下，以低球差的方式捕获光线，离开第一透镜L1的边缘光线仍然从光轴发散。因此，在第一透镜L1之后放置正光焦度的第二透镜L2来向光轴弯曲光线。而第三透镜L3是双胶合消色差透镜，可以进一步会聚由物面发出的大数值孔径的光线。
进一步地，fL4/fL3=3.58。通过合理分配各个透镜的光焦度，有利于消除物镜的球差，优化物镜的场曲和像散，从而保证更好的成像质量。
更进一步地，还满足： TTL/EFL=5.8；TTL是微型浸液物镜的总长，EFL是微型浸液物镜的等效焦距。
具体地，第一透镜L1是平凸透镜，其材料的折射率和阿贝数分别是1.833：40.8。其曲率为C，|C|＜1。在平衡物方数值孔径及像差校正难度的情况下，|C|越小越好。优选地，本发明所述的五组七片的微型浸液物镜中取|C|=0.8。
具体地，五组七片的微型浸液物镜的数值孔径为0.75。
实施例
作为本发明的一种具体的实施例，以“折射率：阿贝数”的形式来代表材料，各透镜的参数如表1所示：
表1
即，第一透镜L1靠近物面的一面通光全孔径为0.38mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.38mm、通光全孔径为1.39mm，第一透镜L1的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.30mm、与第二透镜L2相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第二透镜L2靠近物面的一面曲率半径为16.95mm、通光全孔径为1.55mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.81mm、通光全孔径为1.82mm，第二透镜L2的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8、中心厚度为1.00mm、与第三透镜L3相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第三透镜L3靠近物面的一面曲率半径为2.06mm、通光全孔径为1.87mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.75mm、通光全孔径为1.83mm，靠近像面的一面曲率半径为-7.31mm、通光全孔径为1.90mm，第三透镜L3从物面到像面依次由材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8和材料以“折射率：阿贝数”表示为1.64:24.0的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为1.00mm、1.00mm，第三透镜L3与第四透镜L4相邻两面之间的中心厚度为0.15mm；
第四透镜L4靠近物面的一面曲率半径为10.17mm、通光全孔径为1.87mm，中间的胶合面的曲率半径为1.89mm、通光全孔径为1.84mm，靠近像面的一面曲率半径为-2.07mm、通光全孔径为1.86mm，第四透镜L4从物面到像面依次由材料以“折射率：阿贝数”表示为1.64:24.0和材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度为2.59mm、2.54mm，第四透镜L4与第五透镜L5相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第五透镜L5靠近物面的一面曲率半径为0.87mm、通光全孔径为1.78mm，靠近像面的一面曲率半径为0.63mm、通光全孔径为1.01mm，第五透镜L5的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8、中心厚度为1.12mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.93mm。
其中，“类型”标记为“Q型”的表面是Q型非球面。Q型非球面是关于径向对称的用多项式表达的非球面，与扩展多项式非球面类似。该表面支持Q型非球面的两个不同的子类，通常称为Qbfs和Qcon。由G.W.Forbes撰写的《Shape specification for axiallysymmetric optical surfaces》中介绍了Qcon表面（Opt. Express出版，第15卷，第5218 -5226页（2007年））。由G.W.Forbes撰写的《Manufacturability estimates for opticalsurfaces》中介绍了Qbfs表面（Opt.Express出版，第19卷，第9923-9941页（2011年））。其中各Q型非球面透镜系数如表2，其中“Q型子类”为“0”时，代表是Qbfs子类的Q型非球面，“Q型子类”为“1”时，代表是Qcon子类的Q型非球面。
表2
Qbfs系数描述了非球面与最佳拟合球面的RMS斜率偏离。Qcon系数描述了非球面与有特定圆锥系数的标准二次非球面的矢高偏离。Q型非球面有众多好处，可以减小最终系统的敏感度；因为非球面系数具有正交性，所以可以改变项数而不改变表面矢高；图纸只需要近1/3的有效位数；非球面系数可以有意义的被公差分析。
如图2所示，为本实施例的光程差曲线图。如图3所示，在整个视场内MTF都接近衍射极限，能够最大程度的提高光信号的耦合效率，增加共聚焦图像的对比度。如图4所示，在设计波长范围内，最大焦移范围约为1.4um，而衍射极限下色焦移的范围约为6.7um。这说明本发明所述的五组七片的微型浸液物镜的色差得到了充分的校正，能够很好的耦合宽带的荧光信号。
根据上述实施例中各参数计算如表3所示的数据，其中WFno.是工作F数。
表3
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜为Q型非球面透镜，第三透镜、第四透镜均为双胶合透镜；
第一透镜靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第三透镜靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向像面凸起、靠近像面的一面向像面凸起，第四透镜靠近物面的一面向物面凸起、中间的胶合面向物面凸起，靠近像面的一面向像面凸起，第五透镜的两面均向物面凸起；
微型浸液物镜满足：fL1=1.55，fL2=4.50，fL3=3.83，fL4=13.72，fL5=7.04且0<fL1<fL3<fL2<fL5<fL4；fL1、fL2、fL3、fL4、fL5分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜的焦距，TTL/EFL=5.8；TTL是微型浸液物镜的总长，EFL是微型浸液物镜的等效焦距。
2.根据权利要求1所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，第三透镜与第四透镜之间设置有光阑。
3.根据权利要求2所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，光阑的中心厚度为0.05mm、通光全孔径为1.86mm。
4.根据权利要求2所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，fL4/fL3=3.58。
5.根据权利要求2所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，微型浸液物镜的数值孔径为0.75。
6.根据权利要求1所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，所述第一透镜的曲率为C，|C|＜1。
7.根据权利要求2所述的五组七片的微型浸液物镜，其特征在于，第一透镜靠近物面的一面通光全孔径为0.38mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.38mm、通光全孔径为1.39mm，第一透镜的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.30mm、与第二透镜相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第二透镜靠近物面的一面曲率半径为16.95mm、通光全孔径为1.55mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.81mm、通光全孔径为1.82mm，第二透镜的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8、中心厚度为1.00mm、与第三透镜相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第三透镜靠近物面的一面曲率半径为2.06mm、通光全孔径为1.87mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.75mm、通光全孔径为1.83mm，靠近像面的一面曲率半径为-7.31mm、通光全孔径为1.90mm，第三透镜从物面到像面依次由材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8和材料以“折射率：阿贝数”表示为1.64:24.0的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为1.00mm、1.00mm，第三透镜与第四透镜相邻两面之间的中心厚度为0.15mm；
第四透镜靠近物面的一面曲率半径为10.17mm、通光全孔径为1.87mm，中间的胶合面的曲率半径为1.89mm、通光全孔径为1.84mm，靠近像面的一面曲率半径为-2.07mm、通光全孔径为1.86mm，第四透镜从物面到像面依次由材料以“折射率：阿贝数”表示为1.64:24.0和材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度为2.59mm、2.54mm，第四透镜与第五透镜相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第五透镜靠近物面的一面曲率半径为0.87mm、通光全孔径为1.78mm，靠近像面的一面曲率半径为0.63mm、通光全孔径为1.01mm，第五透镜的材料以“折射率：阿贝数”表示为1.53:55.8、中心厚度为1.12mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.93mm。
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