CN114488504B - 一种大数值孔径的复消色差物镜 - Google Patents

一种大数值孔径的复消色差物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大数值孔径的复消色差物镜，整个物镜由前镜组G1、玻片调节镜组M1和温度调节镜组M2组成，前镜组为固定光学镜组，玻片调节镜组M1通过相对于前镜组的前后移动用于调节由盖玻片厚度变化引起的系统像差，温度调节镜组M2通过相对于前镜组的前后移动用于调节由浸液层温度变化引起的系统像差，通过光学系统的排布，及增加了一个移动镜组的方式,可以同时补偿盖玻片厚度及浸液层温度变化引起的像差。

Description

一种大数值孔径的复消色差物镜
技术领域
本发明涉及一种大数值孔径的物镜，尤其是涉及一种大数值孔径的复消色差物镜。
背景技术
在生物显微镜上使用大的数值孔径的物镜可以提高系统的分辨能力。增大物镜数值孔径的方式可以从数值孔径的公式得来，NA＝n*sin(u)，其中n代表的是介质的折射率、sin(u)代表的是物镜的孔径角；因此增大数值孔径的方式理论上有2种，一种是增大介质的折射率，一种是增大物镜的孔径角。但是我国目前尚没有数值孔径达到NA1.49的物镜，国际上仅有OLYMPUS、NIKON等几家企业具有类似的产品。其主要原因在于在将孔径角设计到0.98及以上，物镜对光线的收集能力加强，即光线的孔径变大，光学设计为了矫正大孔径的像差的难度随着孔径的变大会成倍的增加。另外物镜的数值孔径增加至1.49后，众所周知，物镜的数值孔径越大物镜的景深越小，对于浸液层温度及盖波片的要求会更敏感，因为实际使用及现有的实验室条件、盖波片生产厂家加工能力及成本的限制很难将浸液层温度和盖玻片的厚度固定，为了增大物镜的使用范围，必须设计出可以适应浸液层温度及盖波片厚度变化的调节机构。此外，在实际使用中，不同的被观测物需要不同的器皿盛装，因此盖玻片属于不可以固定的消耗品，需要不断的更换。同时生产制造原因也会带来误差，因此还存在盖玻片的厚度变化带来的系统像差。
P2006-113486A号日本专利公开了尼康公司的一种NA1.45的物镜，采用了调节dH(调节空气间隔的参数)来适应浸液层温度23℃及37℃的环境及盖玻片厚度的变化，可以使轴外色差降低到约40μ。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种数值孔径为NA1.49，可以匹配厚度为0.13～0.2mm的盖玻片且可以在23℃及37℃两种浸液层温度条件下使用的轴外色差更低的大数值孔径的复消色差物镜。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大数值孔径的复消色差物镜，整个物镜由前镜组、玻片调节镜组M1和温度调节镜组M2组成，所述的前镜组为固定光学镜组，所述的玻片调节镜组M1通过相对于所述的前镜组的前后移动用于调节由盖玻片厚度变化引起的系统像差，所述的温度调节镜组M2通过相对于所述的前镜组的前后移动用于调节由浸液层温度变化引起的系统像差，整个物镜的焦距Fobj＝2mm，并满足公式10≥|F前镜组/Fobj|≥0.5，F前镜组为所述的前镜组的焦距，所述的前镜组G1与所述的玻片调节镜组M1之间的第一间隔d1为0.19～0.90mm，所述的玻片调节镜组M1与所述的温度调节镜组M2之间的第二间隔d2为0.23～0.59mm，整个物镜的总长度小于等于64mm。
优选的，所述的前镜组由第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2、第二胶合透镜组C1-3和正焦距的第一单透镜C1-4组成，所述的第一胶合透镜组C1-1由物体侧为平面的平凸透镜和凸面朝向像方的弯月透镜胶合构成，所述的第一组合透镜组C1-1由至少一个凸面朝向像方的弯月透镜组成，所述的第二胶合透镜组C1-3由双凹透镜和双凸透镜胶合构成，以上透镜之间满足以下公式：
FC1-1<FC1-2，|FC1-1-FC1-1，C1-2|<0.5；
FC1-3<-2FC1-2；
其中FC1-1，C1-2为第一胶合透镜组C1-1与第一组合透镜组C1-2的组合焦距；FC1-1、FC1-2和FC1-3分别为第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2和第二胶合透镜组C1-3的焦距。
优选的，所述的玻片调节镜组M1由第三胶合透镜组C2-1和正光焦度的第二单透镜C2-2组成，所述的第三胶合透镜组C2-1由负透镜和正透镜胶合构成，所述的第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的折射率高于所述的第一单透镜C1-4和所述的第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的折射率，所述的第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的色散系数低于所述的第一单透镜C1-4和所述的第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的色散系数，玻片调节镜组M1的焦距FM1满足18mm<FM1<35mm。
优选的，所述的温度调节镜组M2由第四胶合透镜组C3-1、第五胶合透镜组C3-2、第三单透镜C3-3和第六胶合透镜组C3-4组成，所述的第四胶合透镜组C3-1由中间的一片正透镜和位于正透镜两侧的两片负透镜组成，中间正透镜的折射率低于两侧的负透镜的折射率，中间正透镜的色散系数高于两侧的负透镜的色散系数；所述的第五胶合透镜组C3-2为一双凸透镜与一双凹透镜组合的胶合透镜；所述的第三单透镜C3-3为面向像方为凹面的负透镜，材料折射率满足Nd≥1.65，像方侧凹面光焦度为曲率半径
|R16-2|≤6mm；所述的第六胶合透镜组C3-4为一双凹透镜与一双凸透镜组成的胶合透镜，双凹透镜的材料折射率满足Nd≥1.65，物方侧表面光焦度为且曲率半径
|R17-1|≤6mm；并满足下面公式：-12mm<FM2<-8mm，FM2为温度调节镜组M2的焦距。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过光学系统的排布，及增加了一个移动镜组的方式,可以同时补偿盖玻片厚度及浸液层温度变化引起的像差；同现有技术比，通过增加一个调节镜组的方式改善了物镜的轴外色差，从实施例中可以看出本发明的结构可以将轴外像差降低到13um，提高了物镜在大视场下的成像质量。本发明的物镜的数值孔径可以达到NA1.49，提高了物镜的分辨能力；本发明的结构可以匹配厚度为0.13～0.2mm的盖玻片使用，适配盖玻片厚度变化引起的像差；本发明还同时可以用在23℃及37℃两种浸液层温度条件下，适配镜头的不同温度的使用需求；
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例示例物镜前端的结构示意图；
图3为本发明实施例示例中浸液层温度为37℃而盖玻片厚度为0.14mm时的轴向色差曲线；
图4为本发明实施例示例中浸液层温度为37℃而盖玻片厚度为0.14mm时的场曲像差曲线；
图5为本发明实施例示例中浸液层温度为37℃而盖玻片厚度为0.14mm时的倍率色差曲线；
图6为本发明实施例示例中浸液层温度为23℃而盖玻片厚度为0.13mm时的轴向色差曲线；
图7为本发明实施例示例中浸液层温度为23℃而盖玻片厚度为0.13mm时的场曲像差曲线；
图8为本发明实施例示例中浸液层温度为23℃而盖玻片厚度为0.13mm时的倍率色差曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：
如图1所示，一种大数值孔径的复消色差物镜，整个物镜由前镜组G1、玻片调节镜组M1和温度调节镜组M2组成，前镜组G1为固定光学镜组，玻片调节镜组M1通过相对于前镜组G1的前后移动用于调节由盖玻片厚度D1变化引起的系统像差，温度调节镜组M2通过相对于前镜组G1的前后移动用于调节由浸液层温度变化引起的系统像差，整个物镜的焦距Fobj＝2mm，并满足公式10≥|F前镜组/Fobj|≥0.5，F前镜组为所述的前镜组的焦距，前镜组G1与玻片调节镜组M1之间的第一间隔d1为0.19～0.90mm，玻片调节镜组M1与温度调节镜组M2之间的第二间隔d2为0.23～0.59mm，整个物镜的总长度小于等于64mm。
前镜组G1由第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2、第二胶合透镜组C1-3和正焦距的第一单透镜C1-4组成，第一胶合透镜组C1-1由物体侧为平面的平凸透镜和凸面朝向像方的弯月透镜胶合构成，第一组合透镜组C1-2由至少一个凸面朝向像方的弯月透镜组成，第二胶合透镜组C1-3由双凹透镜和双凸透镜胶合构成，以上透镜之间满足以下公式：
FC1-1<FC1-2，|FC1-1-FC1-1，C1-2|<0.5；
FC1-3<-2FC1-2；
其中FC1-1，C1-2为第一胶合透镜组C1-1与第一组合透镜组C1-2的组合焦距；FC1-1、FC1-2和FC1-3分别为第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2和第二胶合透镜组C1-3的焦距。
玻片调节镜组M1由第三胶合透镜组C2-1和正光焦度的第二单透镜C2-2组成，第三胶合透镜组C2-1由负透镜和正透镜胶合构成，第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的折射率高于第一单透镜C1-4和第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的折射率，第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的色散系数低于第一单透镜C1-4和第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的色散系数，玻片调节镜组M1的焦距FM1满足18mm<FM1<35mm。
温度调节镜组M2由第四胶合透镜组C3-1、第五胶合透镜组C3-2、第三单透镜C3-3和第六胶合透镜组C3-4组成，第四胶合透镜组C3-1由中间的一片正透镜和位于正透镜两侧的两片负透镜组成，中间正透镜的折射率低于两侧的负透镜的折射率，中间正透镜的色散系数高于两侧的负透镜的色散系数；第五胶合透镜组C3-2为一双凸透镜与一双凹透镜组合的胶合透镜；第三单透镜C3-3为面向像方为凹面的负透镜，材料折射率满足Nd≥1.65，像方侧凹面光焦度为曲率半径|R16-2|≤6mm；第六胶合透镜组C3-4为一双凹透镜与一双凸透镜组成的胶合透镜，双凹透镜的材料折射率满足Nd≥1.65，双凹透镜物方侧表面光焦度为/>且曲率半径|R17-1|≤6mm；并满足下面公式：/> -12mm<FM2<-8mm，FM2为温度调节镜组M2的焦距。
以下为本发明的一个示例。
1.镜头的结构描述与实施例的结构示意图相同，包含前镜组、盖玻片调节镜组M1、温度调节镜组M2；
2.物镜的参数表如下：
物镜的焦距Fobj＝2，NA＝1.49，放大倍数β＝-100×，浸液层厚度D2＝0.1mm，盖玻片厚度D1＝0.19mm。
本示例中，前镜组的焦距F前＝6.03mm，物镜的焦距Fobj＝2mm，
|F前镜组/Fobj|＝3.015，系统的长度＝63.83mm,FM1＝31.33,FM2＝-10.06,。
对示例1的物镜结构，在23℃和37℃环境下时，不同的盖玻片厚度对应的前镜组G1与玻片调节镜组M1之间的第一间隔d1，玻片调节镜组M1与温度调节镜组M2之间的第二间隔d2数据如下表：
温度23℃时间隔对照表：
D1(mm) d1(mm) d2(mm)
0.13 0.90 0.45
0.16 0.74 0.36
0.19 0.23 0.23
温度37℃时间隔对照表：
D1(mm) d1(mm) d2(mm)
0.14 0.82 0.59
0.17 0.50 0.45
0.20 0.19 0.32
对示例1的物镜结构，从平面1到球面29，平面1物体侧，球面29为像方测，像方侧物镜出光为平行光束，本发明中提到的物镜为无穷远系统物镜，使用时物镜像方测需与独立校正像差的成像透镜搭配使用，因各显微镜生产厂家设计会有细微差别，本发明涉及到的镜头评估采用F200理想透镜进行模拟成像。

Claims (1)

1.一种大数值孔径的复消色差物镜，其特征在于整个物镜由前镜组、玻片调节镜组M1和温度调节镜组M2组成，所述的前镜组为固定光学镜组，所述的玻片调节镜组M1通过相对于所述的前镜组的前后移动用于调节由盖玻片厚度变化引起的系统像差，所述的温度调节镜组M2通过相对于所述的前镜组的前后移动用于调节由浸液层温度变化引起的系统像差，所述的前镜组由第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2、第二胶合透镜组C1-3和正焦 距的第一单透镜C1-4组成，所述的第一胶合透镜组C1-1由物体侧为平面的平凸透镜和凸面朝向像方的弯月透镜胶合构成，所述的第一组合透镜组C1-2由至少一个凸面朝向像方的弯月透镜组成，所述的第二胶合透镜组C1-3由双凹透镜和双凸透镜胶合构成，以上透镜之间满足以下公式：
FC1-1<FC1-2，|FC1-1-FC1-1，C1-2|<0.5；
FC1-3<-2FC1-2；
其中FC1-1，C1-2为第一胶合透镜组C1-1与第一组合透镜组C1-2的组合焦距；FC1-1、FC1-2和FC1-3分别为第一胶合透镜组C1-1、第一组合透镜组C1-2和第二胶合透镜组C1-3的焦距，所述的玻片调节镜组M1由第三胶合透镜组C2-1和正光焦度的第二单透镜C2-2组成，所述的第三胶合透镜组C2-1由负透镜和正透镜胶合构成，所述的第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的折射率高于所述的第一单透镜C1-4和所述的第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的折射率，所述的第三胶合透镜组C2-1中的负透镜的色散系数低于所述的第一单透镜C1-4和所述的第三胶合透镜组C2-1中的正透镜的色散系数，玻片调节镜组M1的焦距FM1满足18mm<FM1<35mm，所述的温度调节镜组M2由第四胶合透镜组C3-1、第五胶合透镜组C3-2、第三单透镜C3-3和第六胶合透镜组C3-4组成，所述的第四胶合透镜组C3-1由中间的一片正透镜和位于正透镜两侧的两片负透镜组成，中间正透镜的折射率低于两侧的负透镜的折射率，中间正透镜的色散系数高于两侧的负透镜的色散系数；所述的第五胶合透镜组C3-2为一双凸透镜与一双凹透镜组合的胶合透镜；所述的第三单透镜C3-3为面向像方为凹面的负透镜，材料折射率满足Nd≥1.65，像方侧凹面光焦度为曲率半径|R16-2|≤6mm；所述的第六胶合透镜组C3-4为一双凹透镜与一双凸透镜组成的胶合透镜，双凹透镜的材料折射率满足Nd≥1.65，物方侧表面光焦度为/>且曲率半径|R17-1|≤6mm；并满足下面公式：/>-12mm<FM2<-8mm，FM2为温度调节镜组M2的焦距，整个物镜的焦距Fobj＝2mm，并满足公式10≥|F前镜组/Fobj|≥0.5，F前镜组为所述的前镜组的焦距，所述的前镜组G1与所述的玻片调节镜组M1之间的第一间隔d1为0.19～0.90mm，所述的玻片调节镜组M1与所述的温度调节镜组M2之间的第二间隔d2为0.23～0.59mm，整个物镜的总长度小于等于64mm。
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