CN114460732B

CN114460732B - 一种大视场水下显微成像光学系统

Info

Publication number: CN114460732B
Application number: CN202210102696.3A
Authority: CN
Inventors: 伍雁雄; 乔健; 陈太喜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: CN114460732A

Abstract

本申请提供了一种大视场水下显微成像光学系统，涉及光学技术领域，其技术方案要点是：包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：平面窗口；具有负光焦度的第一透镜；具有正光焦度的第二透镜；具有负光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；具有负光焦度的第五透镜；具有正光焦度的第六透镜；具有负光焦度的第七透镜；具有正光焦度的第八透镜；所述第一透镜的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：‑0.95≤φ1/φ≤‑0.75；所述平面窗口到物面的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.6f。本申请提供的一种大视场水下显微成像光学系统具有在深水环境进行大视场微型生物或颗粒的显微成像观测的优点。

Description

一种大视场水下显微成像光学系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种大视场水下显微成像光学系统。

背景技术

在水环境中，微型生物如细菌、藻类以及生物碎屑形成的颗粒性有机碳是水环境中食物链以及碳循环过程的主要参与者与承担者。研究上述微小生物或微小颗粒在食物链维持或碳循环过程中的作用，是从微观层面探索与分析水环境中物质循环及变化机理的重要手段。尤其是水环境中微型生物的动态变化过程，由于种类繁多，尺度很小，精确检测与分类的难度较大，需要采用显微观测技术进行研究。

然而，在水环境中进行观测与在陆地观测不同，随着深度的增加，需要面临的水压也会越来越大，水压的增大便会带来密封性的问题，为实现对深水环境中细菌、藻类等微型生物的活体、原位观测，显微物镜需要密封在较厚平面玻璃窗口内，增加了显微物镜的工作距离，提高了设计难度，随着光学系统工作距离的增加，其像差也会迅速增加。

因此，如何在深水环境下进行稳定的高质量观测是亟需解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种大视场水下显微成像光学系统，具有在深水环境进行大视场微型生物或颗粒的显微成像观测的优点。

第一方面，本申请提供了一种大视场水下显微成像光学系统，技术方案如下：

由八片透镜以及平面窗口组成，包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：

所述平面窗口；

具有负光焦度的第一透镜；

具有正光焦度的第二透镜；

具有负光焦度的第三透镜；

具有正光焦度的第四透镜；

具有负光焦度的第五透镜；

具有正光焦度的第六透镜；

具有负光焦度的第七透镜；

具有正光焦度的第八透镜；

所述第一透镜的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.95≤φ1/φ≤-0.75；

所述平面窗口到物面的距离L与光学系统焦距f满足：

L≥0.6f。

利用平面窗口来承受水压，然后光线通过平面窗口从第一透镜进入整个光学系统，通过第一透镜、第三透镜以及第七透镜来分担像散以及场曲像差，通过第四透镜以及第五透镜校正色差，最终获得清晰的物面成像，具有在深水环境进行大视场微型生物或颗粒的显微成像观测的有益效果。

进一步地，在本申请中，所述第二透镜的光焦度为φ2，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.25≤φ2/φ≤1.45。

通过上述设置，在满足成像质量的需求下，保持结构紧凑，减小光学系统的尺寸。

进一步地，在本申请中，所述第三透镜的光焦度为φ3，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.75≤φ3/φ≤-0.55。

进一步地，在本申请中，所述第四透镜与所述第五透镜组成双胶合透镜，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜。

进一步地，在本申请中，所述第四透镜与所述第五透镜组成的所述双胶合透镜的光焦度为φ45，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.65≤φ45/φ≤-0.45。

进一步地，在本申请中，所述第四透镜的材料为H-FK61，所述第五透镜的材料为H-ZF52。

进一步地，在本申请中，所述第六透镜的光焦度为φ6，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.35≤φ6/φ≤1.55。

进一步地，在本申请中，所述第七透镜的光焦度为φ7，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.28≤φ7/φ≤-0.15。

进一步地，在本申请中，所述第八透镜的光焦度为φ8，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

0.45≤φ8/φ≤0.65。

进一步地，在本申请中，所述平面窗口与物面在中轴线上的间隔为6mm，所述平面窗口的厚度为5mm，所述平面窗口靠近物侧一面的通光孔径为11.2mm，靠近像侧一面的通光孔径为12.4mm；

所述第一透镜靠近物侧的一面为凹面，其曲率半径为-11.2mm、通光孔径为12.6mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-21.6、通光孔径为22mm，所述平面窗口与所述第一透镜在中轴线上的间隔为2.8mm；

所述第二透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为58.6mm、通光孔径为24.3mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-90.1mm、通光孔径为24.9mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为0.1mm，所述第二透镜在中轴线上的厚度为14.8mm；

所述第三透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为37.3mm、通光孔径为24.3mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为19.2mm、通光孔径为20.1mm，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为0.5mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为11mm；

所述第四透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为35.8mm、通光孔径为20.2mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-15mm、通光孔径为20.1mm，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为2.2mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为7.7mm；

所述第五透镜靠近物侧的一面为凹面，其曲率半径为-15mm、通光孔径为20.1mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为321.5mm、通光孔径为21.6mm，所述第五透镜在中轴线上的厚度为3.5mm，所述第五透镜与所述第四透镜贴合；

所述第六透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为109.7mm、通光孔径为23.4mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-22.5mm、通光孔径为24.4mm，所述第六透镜与所述第五透镜在中轴线上的间隔为2.5mm，所述第六透镜在中轴线上的厚度为7.6mm；

所述第六透镜与所述第五透镜之间设置有孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔径为21.2mm，所述孔径光阑与所述第五透镜在中轴线上的间隔为1.2mm，所述孔径光阑与所述第六透镜在中轴线上的间隔为1.3mm；

所述第七透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为79.5mm、通光孔径为30.9mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为43.8mm、通光孔径为29.6mm，所述第七透镜与所述第六透镜在中轴线上的间隔为28.1mm，所述第七透镜在中轴线上的厚度为28.3mm；

所述第八透镜靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径172.5mm、通光孔径为43.6mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-173.5mm、通光孔径为44.5mm，所述第八透镜与所述第七透镜在中轴线上的间隔为14.2mm，所述第八透镜在中轴线上的厚度为10mm。

由上可知，本申请提供的一种大视场水下显微成像光学系统，利用平面窗口来承受水压，然后光线通过平面窗口从第一透镜进入整个光学系统，通过第一透镜、第三透镜以及第七透镜来分担像散以及场曲像差，通过第四透镜以及第五透镜校正色差，最终获得清晰的物面成像，具有在深水环境进行大视场微型生物或颗粒的显微成像观测的有益效果。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本申请提供的一种大视场水下显微成像光学系统结构示意图。

图2为本申请提供的光学系统在物空间的光学传递函数曲线分布图。

图3为本申请提供的光学系统在物空间的波像差分布图。

图中：100、第一透镜；200、第二透镜；300、第三透镜；400、第四透镜；500、第五透镜；600、第六透镜；700、第七透镜；800、第八透镜；900、孔径光阑；1000、平面窗口。

具体实施方式

下面将结合本申请中附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1至图3，一种大视场水下显微成像光学系统，其技术方案具体包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：

平面窗口1000；其中，平面窗口1000的材料为蓝宝石或石英或其它硬度高的透明玻璃材料，其厚度不小于5mm。

具有负光焦度的第一透镜100；

具有正光焦度的第二透镜200；

具有负光焦度的第三透镜300；

具有正光焦度的第四透镜400；

具有负光焦度的第五透镜500；

具有正光焦度的第六透镜600；

具有负光焦度的第七透镜700；

具有正光焦度的第八透镜800；

第一透镜100的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.95≤φ1/φ≤-0.75；

平面窗口1000到物面的距离L与光学系统焦距f满足：

L≥0.6f。

通过上述技术方案，利用平面窗口1000来承受水压，然后光线通过平面窗口1000从第一透镜100进入整个光学系统，通过第一透镜100、第三透镜300以及第七透镜700来分担像散以及场曲像差，通过第四透镜400以及第五透镜500校正色差，最终获得清晰的物面成像，具有在深水环境进行大视场微型生物或颗粒的显微成像观测的有益效果。

其中，在水环境中进行显微观测必须要考虑密水压以及封性的问题，防止在较深的水下，水进入至光学系统中，造成光学系统的损坏或对观测产生不良影响。对此，本申请采用了平面窗口1000进行密封和抗压，并且，平面窗口1000的厚度不小于5mm。然而。随着平面窗口1000厚度的增加，会增大光学系统的工作距离，从而导致轴向色差、球差以及彗差等孔径相关的高级像差快速增加，进而严重影响成像质量，而本申请则通过采用八片透镜，利用较厚的平面窗口1000承受水压，从而能够工作在深水环境中，物面较大区域的微型生物被光照亮后，散射光或激发荧光经过水介质或生物浸液通过平面窗口1000到达光学系统内，通过光学系统内的八片透镜的合理设置，可以将物面放大5倍，成像到高灵敏度CCD或CMOS相机靶面。由于成像视野较大，光学系统采用了第一透镜100、第二透镜200等透镜进行平场校正场曲像差，然后采用第四透镜400以及第五透镜500校正色差，并且利用透镜之间的空气间隙产生高级球差平衡光学系统的球差，最终获得清晰物面图像。

其中，在本申请所记载的技术方案中，采用了有限共轭的光路结构，同时，第一透镜100的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：-0.95≤φ1/φ≤-0.75；平面窗口1000到物面的距离L与光学系统焦距f满足：L≥0.6f。在满足该条件下的光学系统能够在保证成像质量的同时使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

具体的，在一些具体实施方式中，平面窗口1000与物面在中轴线上的间隔为6mm，平面窗口1000的厚度为5mm，平面窗口1000靠近物侧一面的通光孔径为11.2mm，靠近像侧一面的通光孔径为12.4mm，第一透镜100靠近物侧的一面为凹面，其曲率半径为-11.2mm、通光孔径为12.6mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-21.6、通光孔径为22mm。并且，平面窗口1000与第一透镜100在中轴线上的间隔为2.8mm。

通过上述参数设置，平面窗口1000用于承受水压，使该光学系统可以稳定在深水环境下使用，然后由第一透镜100对大数值孔径的光线进行准直，并且在满足成像质量的同时，对尺寸进行缩减，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

在其中一些实施例中，第二透镜200的光焦度为φ2，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.25≤φ2/φ≤1.45。

具体的，在一些具体实施方式中，第二透镜200靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为58.6mm、通光孔径为24.3mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-90.1mm、通光孔径为24.9mm。并且，第二透镜200与第一透镜100在中轴线上的间隔为0.1mm，第二透镜200在中轴线上的厚度为14.8mm。

通过上述技术方案，使用第二透镜200来进行平场校正场曲像差，并通过上述参数设置，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

在其中一些实施例中，第三透镜300的光焦度为φ3，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.75≤φ3/φ≤-0.55。

具体的，在一些具体实施方式中，第三透镜300靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为37.3mm、通光孔径为24.3mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为19.2mm、通光孔径为20.1mm。并且，第三透镜300与第二透镜200在中轴线上的间隔为0.5mm，第三透镜300在中轴线上的厚度为11mm。

通过上述技术方案，使用第三透镜300来进行平场校正曲场像差，并通过上述参数设置，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

在其中一些实施例中，第四透镜400与第五透镜500组成双胶合透镜，第四透镜400为双凸透镜，第五透镜500为双凹透镜。并且，第四透镜400的材料为H-FK61，第五透镜500的材料为H-ZF52。其中，第四透镜400与第五透镜500组成的双胶合透镜的光焦度为φ45，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.65≤φ45/φ≤-0.45。

通过上述技术方案，由第四透镜400与第五透镜500组成双胶合透镜，并且第四透镜400与第五透镜500各自用不用的材料组成，用于校正色差。同时，第四透镜400与第三透镜300之间形成有一空气层，通过该空气层来产生高级球差用于平衡系统球差，以获得高质量的成像效果。

具体的，在一些具体实施方式中，第四透镜400靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为35.8mm、通光孔径为20.2mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-15mm、通光孔径为20.1mm，第五透镜500靠近物侧的一面为凹面，其曲率半径为-15mm、通光孔径为20.1mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为321.5mm、通光孔径为21.6mm。并且，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为2.2mm，第四透镜400在中轴线上的厚度为7.7mm，第五透镜500在中轴线上的厚度为3.5mm。

通过上述参数设置，由第四透镜400与第五透镜500组成双胶合透镜，并且第四透镜400与第五透镜500各自用不用的材料组成，用于校正色差。同时，第四透镜400与第三透镜300之间形成有一空气层，通过该空气层来产生高级球差用于平衡系统球差，以获得高质量的成像效果，并且，在保证成像质量的同时缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

在其中一些实施例中，第六透镜600的光焦度为φ6，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.35≤φ6/φ≤1.55。

具体的，在一些具体实施方式中，第六透镜600靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为109.7mm、通光孔径为23.4mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-22.5mm、通光孔径为24.4mm。并且，第六透镜600与第五透镜500在中轴线上的间隔为2.5mm，第六透镜600在中轴线上的厚度为7.6mm。

通过上述技术方案，使用第六透镜600来进行平场校正曲场像差，并通过上述参数设置，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

并且，在第六透镜600与第五透镜500之间设置有孔径光阑900，孔径光阑900的通光孔径为21.2mm，孔径光阑900与第五透镜500在中轴线上的间隔为1.2mm，孔径光阑900与第六透镜600在中轴线上的间隔为1.3mm。

通过上述设置，在第五透镜500与第六透镜600之间设置有孔径光阑900用于调节光线的强弱，并且设置在第五透镜500与第六透镜600之间，可以保证近轴条件，改善成像质量，校正像差。

在其中一些实施例中，第七透镜700的光焦度为φ7，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.28≤φ7/φ≤-0.15。

具体的，在一些具体实施方式中，第七透镜700靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径为79.5mm、通光孔径为30.9mm，靠近像侧的一面为凹面，其曲率半径为43.8mm、通光孔径为29.6mm。并且，第七透镜700与第六透镜600在中轴线上的间隔为28.1mm，第七透镜700在中轴线上的厚度为28.3mm。

通过上述技术方案，使用第七透镜700来进行平场校正曲场像差，并通过上述参数设置，在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

在其中一些实施例中，第八透镜800的光焦度为φ8，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

0.45≤φ8/φ≤0.65。

具体的，在一些具体实施方式中，第八透镜800靠近物侧的一面为凸面，其曲率半径172.5mm、通光孔径为43.6mm，靠近像侧的一面为凸面，其曲率半径为-173.5mm、通光孔径为44.5mm。并且，第八透镜800与第七透镜700在中轴线上的间隔为14.2mm，第八透镜800在中轴线上的厚度为10mm。

通过上述技术方案，使用第八透镜800进一步校正系统残余像差，在获得稳定高质量的成像效果下缩减尺寸，使整体结构更紧凑，有利于实现光学系统的小型化以及降低成本。

其中，像面可以是高灵敏度CCD或CMOS相机靶面。

其中，中轴线与光轴重合。

作为最优选的方案之一，该光学系统的参数设置如下表所示：

值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从物侧到像侧依次排列的各透镜的镜面。

通过上述参数设置，该光学系统所达到的技术指标如下：

物方数值孔径：0.31；

物方成像线尺寸：8.8mm；

物方工作距离：6.0mm；

倍率：5X；

平面窗口1000厚度：≥5mm；

成像波长：500nm~750nm；

光学总长：≤162mm。

使用该光学系统主要解决光学系统在深水环境下，大视场高分辨率以及长工作距离引起的孔径像差、视场像差以及色差校正难题。为了实现优于1μm的高分辨率，显微物镜的数值孔径达到0.31以上；由于显微物镜与水介质之间需要设置较厚的光学窗口，进一步增大了显微物镜的工作距离，轴向色差、球差以及彗差等孔径相关的高级像差快速增加。为校正多种像差，靠近物面采用了光焦度为负的不晕厚透镜，有利于降低大视场下的像散及场曲像差；光学系统在多个位置设置了弯月形厚透镜，有效分担了像散及场曲像差，在像面获得了平场像质分布。从像差校正结果来看，本设计较完善的校正了轴向色差、球差、彗差、像散及场曲等像差；获得了接近衍射极限的成像质量，在水介质中工作距离达到6.0mm以及平面窗口不低于5mm的需求下，成像分辨率优于1μm。本发明光学系统的总长仅162mm，且只采用了8片透镜达到近衍射极限成像质量，结构紧凑，有利于在深水环境下实现对微型生物原位活体的大视野观测，应用价值较高。

图2表征了本发明实例中整个光学系统在物空间的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在500lp/mm时达到了0.3以上，接近了衍射极限，成像质量良好。

图3表征了本发明实例中整个光学系统在物空间的波像差分布图，最小均方根波像差为0.033λ，最大为0.072λ，平均值为0.045λ，接近了衍射极限。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，由八片透镜以及平面窗口组成，包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：

所述平面窗口；

具有负光焦度的第一透镜；

具有正光焦度的第二透镜；

具有负光焦度的第三透镜；

具有正光焦度的第四透镜；

具有负光焦度的第五透镜；

具有正光焦度的第六透镜；

具有负光焦度的第七透镜；

具有正光焦度的第八透镜；

-0.95≤φ1/φ≤-0.75；

所述平面窗口到物面的距离L与光学系统焦距f满足：

L≥0.6f。

2.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜的光焦度为φ2，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.25≤φ2/φ≤1.45。

3.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第三透镜的光焦度为φ3，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.75≤φ3/φ≤-0.55。

4.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜与所述第五透镜组成双胶合透镜，所述第四透镜为双凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜。

5.根据权利要求4所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜与所述第五透镜组成的所述双胶合透镜的光焦度为φ45，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.65≤φ45/φ≤-0.45。

6.根据权利要求4所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜的材料为H-FK61，所述第五透镜的材料为H-ZF52。

7.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第六透镜的光焦度为φ6，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

1.35≤φ6/φ≤1.55。

8.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第七透镜的光焦度为φ7，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

-0.28≤φ7/φ≤-0.15。

9.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述第八透镜的光焦度为φ8，整个光学系统的光焦度为φ，满足：

0.45≤φ8/φ≤0.65。

10.根据权利要求1所述的一种大视场水下显微成像光学系统，其特征在于，所述平面窗口与物面在中轴线上的间隔为6mm，所述平面窗口的厚度为5mm，所述平面窗口靠近物侧一面的通光孔径为11.2mm，靠近像侧一面的通光孔径为12.4mm；