CN114967094B

CN114967094B - 一种远心活细胞相差显微镜镜头

Info

Publication number: CN114967094B
Application number: CN202210453664.8A
Authority: CN
Inventors: 马冬林; 樊润东; 朱正波; 刘远啸
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2042-04-27
Also published as: CN114967094A

Abstract

本发明公开了一种远心活细胞相差显微镜镜头，镜头由依次同轴设置的光阑、弯月形厚透镜、第一弯月形透镜、第二弯月形透镜、第三弯月形透镜、第四弯月形透镜、双凸透镜、第五弯月形透镜、第六弯月形透镜、平凸透镜、第七弯月形透镜、第八弯月形透镜组成；弯月形厚透镜、第一弯月形透镜至第四弯月形透镜以及第五弯月形透镜的弯曲均朝向光阑，其余的弯月形透镜的弯曲均背向光阑；1、本发明为球面设计，制造成本较低，系统视场大，数值孔径大，高分辨等优点；本发明的结构简单，与不同的Tube Lens组合可实现不同放大率的显微设备设计。

Description

一种远心活细胞相差显微镜镜头

技术领域

本发明涉及新型活细胞相差显微镜设计领域，具体而言，涉及一种远心活细胞相差显微镜镜头。

背景技术

近年来，随着医疗技术的发展，对于显微设备的需求也向更清晰、视场更广、分辨率更高的方向发展。如何构造视场更大、数值孔径更大的显微物镜已经成为了研究的重点方向。

相差显微镜概念由荷兰科学家Zernike于1935年提出，用于观察为染色的标本。相差显微镜利用了光的干涉原理，将相位差转化为了振幅差。其优点有如下几点：

比普通显微镜更清晰明亮.

同时缩小了照明波长的范围，减少由照明波长不同而引起的相位变化。当前相差显微镜多应用于生物活细胞检测。

相差显微镜的基本原理为：利用物体不同结构成分之间的折射率和厚度的差别，把通过物体不同部分的光程差转变为光强度的差别，经过带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现观测的显微镜。结构上相差显微镜有不同于普通光学显微镜的特殊之处：

1.环形光阑位于光源与聚光器之间，作用是使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上。

2.在物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。分为两种：

(1)A+相板：将直射光推迟1/4λ，两组光波合轴后光波相加，振幅加大，标本结构比周围介质更加变亮，形成亮反差(或称负反差)。

(2)B+相板：将衍射光推迟1/4λ，两组光线合轴后光波相减，振幅变小，形成暗反差(或称正反差)，结构比周围介质更加变暗。

3.配以Tube Lens筒镜：用于调节环状光阑的像与相板共轭面完全吻合，实现不同放大率。

综上，相差显微镜具有许多普通显微镜无法比拟的优点，但现有技术中，常见的相差显微物镜的像面直径不超过5mm，满足数值孔径条件的物镜其后工作距离不超过15mm，少数满足大视场与长工作距的物镜则无法达到要求的数值孔径，导致分辨率不足。如日本尼康公司所生产的远场相差显微物镜MUE12100型号，其工作距离为17.5，数值孔径为0.3；而具有长工作距离的MUE12050型号，其数值孔径为0.15，无法达到较高分辨率。再如德国蔡司公司的Objective C Epiplan-Apochromat 5x/0.2DIC M27型号物镜，其工作距离为21.1mm，数值孔径为0.3；Objective C Epiplan-Apochromat 10x/0.4DICM27型号物镜，其工作距离为5.4mm，数值孔径为0.4。因此，急需一种远心活细胞相差显微镜镜头，来满足现有的技术需要。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种远心活细胞相差显微镜镜头，镜头由依次同轴设置的光阑、弯月形厚透镜、第一弯月形透镜、第二弯月形透镜、第三弯月形透镜、第四弯月形透镜、双凸透镜、第五弯月形透镜、第六弯月形透镜、平凸透镜、第七弯月形透镜、第八弯月形透镜组成；

弯月形厚透镜、第一弯月形透镜至第四弯月形透镜以及第五弯月形透镜的弯曲均朝向光阑，其余的弯月形透镜的弯曲均背向光阑。

优先地，镜头的入射平行光为复色光。

优先地，光阑与弯月形厚透镜的距离为d₀，弯月形厚透镜与第一弯月形透镜的距离为d₁，第一弯月形透镜与第二弯月形透镜的距离为d₂，第二弯月形透镜与第三弯月形透镜的距离为d₃，第三弯月形透镜与第四弯月形透镜的距离为d₄，第四弯月形透镜与双凸透镜的距离为d₅，双凸透镜与第五弯月形透镜的距离为d₆，第五弯月形透镜与第六弯月形透镜的距离为d₇，第六弯月形透镜与平凸透镜的距离为d₈，平凸透镜与第七弯月形透镜的距离为d₉，第七弯月形透镜与第八弯月形透镜的距离为d₁₀，其中，6mm≤d₀≤8mm，0mm≤d₁≤2mm，4mm≤d₂≤6mm，3mm≤d₃≤5mm，2mm≤d₄≤4mm，0mm≤d₅≤1mm，1mm≤d₆≤3mm，0mm≤d₇≤1mm，0mm≤d₈≤1mm，0mm≤d₉≤1mm，1mm≤d₁₀≤3mm。

优先地，弯月形厚透镜的焦距为f₂，第一弯月形透镜的焦距为f₃，第二弯月形透镜的焦距为f₄，第三弯月形透镜的焦距为f₅，第四弯月形透镜的焦距为f₆，双凸透镜的焦距为f₇，第五弯月形透镜的焦距为f₈，第六弯月形透镜的焦距为f₉，平凸透镜的焦距为f₁₀，第七弯月形透镜的焦距为f₁₁，第八弯月形透镜的焦距为f₁₂，其中，280mm≤f₂≤350mm，-130mm≤f₃≤-110mm，100mm≤f₄≤120mm，-50mm≤f₅≤-70mm，60mm≤f₆≤80mm，70mm≤f₇≤90mm，-160mm≤f₈≤-180mm，350mm≤f₉≤380mm，70mm≤f₁₀≤90mm，50mm≤f₁₁≤70mm，-15mm≤f₁₂≤-30mm。

优先地，弯月形厚透镜的玻璃材料分别为环保型氟冕玻璃；

第一弯月形透镜至第四弯月形透镜的玻璃材料分别为环保型镧系冕玻璃、环保型镧系火石玻璃、环保型重镧系火石玻璃、环保型重冕玻璃。

优选地，双凸透镜为环保型氟冕玻璃；

第五弯月形透镜与第六弯月形透镜分别为环保型火石玻璃、环保型重火石玻璃。

优选地，平凸透镜为环保型氟冕玻璃；

第七弯月形透镜为环保型氟冕玻璃；

第八弯月形透镜为环保型重火石玻璃。

优先地，所示镜头的焦距为f，数值孔径为NA，入瞳直径为D，后工作距为BFL，其中，15mm≤D≤25mm，0.3≤NA≤0.5，25m≤f≤40mm，18mm≤BFL≤28mm，像面宽度为7.5mmm。

优先地，镜头应用于相差显微镜。

优先地，镜头还包括相板，其中，将相板插入到光阑处，搭配不同的Tube Lens实现不同放大倍率的显微设备。

本发明公开了以下技术效果：

1、本发明为球面设计，制造成本较低；

2、本发明提供的系统视场大，可包含更多的生物信息；

3、本发明具有数值孔径大，高分辨等优点；

4、本发明的结构简单，与不同的Tube Lens组合可实现不同放大率的显微设备设计；

5、本发明工作距离远，方便调焦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的活细胞相差显微物镜结构示意图；

图2是本发明所述的活细胞相差显微物镜的传递函数图；

图3是本发明所述的活细胞相差显微物镜的场曲图；

图4是本发明所述的活细胞相差显微物镜的点列图；

图5是本发明所述的活细胞相差显微物镜的能量包围圆图，其中，1为光阑、2为弯月形厚透镜、3为第一弯月形透镜、4为第二弯月形透镜、5为第三弯月形透镜、6为第四弯月形透镜、7为双凸透镜、8为第五弯月形透镜、9为第六弯月形透镜、10为平凸透镜、11为第七弯月形透镜、12为第八弯月形透镜、13为像面。

具体实施方式

下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例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实施例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。

如图1-5所示，本发明的相差显微镜光学系统，为11片球面设计，研发成本低的同时具有较高分辨率、高成像质量。

包括沿同一光轴从平行光到物面以此排列的光阑1、弯月形厚透镜2、第一弯月形透镜3、第二弯月形透镜4、第三弯月形透镜5、第四弯月形透镜6、双凸透镜7、第五弯月形透镜8、第六弯月形透镜9、平凸透镜10、第七弯月形透镜11、第八弯月形透镜12、像面13。其中前述第一弯月形透镜2至第四弯月形透镜6和第五弯月形透镜8的弯曲均朝向光阑。其余弯月形透镜的弯曲均背向光阑。设所发明的显微物镜焦距为f，数值孔径为NA，入瞳直径为D，后工作距为BFL，则15mm≤D≤25mm，0.3≤NA≤0.5，25mm≤f≤40mm，18mm≤BFL≤28mm，像面宽度为7.5mm；入射平行光为复色光。平行光束充满整个显微物镜入瞳，同时显微相板放置于入射光瞳处。

本发明采用弯月形厚透镜与正负透镜组合的形式对场曲进行校正，以实现全视场平场。通过采用正负透镜进行球差与慧差的校正。光阑1与弯月形厚透镜2距离为d₀，弯月形厚透镜2与第一弯月形透镜3距离为d₁，第一弯月形透镜3与第二弯月形透镜4距离为d₂，第二弯月形透镜4与第三弯月形透镜5距离为d₃，第三弯月形透镜5与第四弯月形透镜6距离为d₄，第四弯月形透镜6与双凸透镜7距离为d₅，双凸透镜7与第五弯月形透镜8距离为d₆，第五弯月形透镜8与第六弯月形透镜9距离为d₇，第六弯月形透镜9与平凸透镜10距离为d₈，平凸透镜10与第七弯月形透镜11距离为d₉，第七弯月形透镜11与第八弯月形透镜12距离为d₁₀。则分别满足6mm≤d₀≤8mm，0mm≤d₁≤2mm，4mm≤d₂≤6mm，3mm≤d₃≤5mm，2mm≤d₄≤4mm，0mm≤d₅≤1mm，1mm≤d₆≤3mm，0mm≤d₇≤1mm，0mm≤d₈≤1mm，0mm≤d₉≤1mm，1mm≤d₁₀≤3mm。

本发明光阑放置于系统第一个面，用于放置相差板。弯月形厚透镜2至第四弯月形透镜6的玻璃材料分别为环保型氟冕玻璃、环保型镧系冕牌玻璃、环保型镧系火石玻璃、环保型重镧系火石玻璃、环保型重冕玻璃。双凸透镜7为环保型氟冕玻璃；第五弯月形透镜8与第六弯月形透镜9分别为环保型火石玻璃、环保型重火石玻璃；平凸透镜10为环保型氟冕玻璃；第七弯月形透镜11为环保型氟冕玻璃，第八弯月形透镜12为重火石玻璃。

本发明设计原理为反向设计。工作原理为生物细胞经过所设计显微系统从第八弯月形透镜12入射至光阑1，通过后续的Tube Lens组合形成具有一定放大率的显微设备。设计时平行光聚焦于像面13，即使用时的物面。设计的光斑越小、传递函数越高则成像质量越高，数值孔径越大则分辨率越高。

本发明所示的弯月形厚透镜2焦距为f₂，第一弯月形透镜3焦距为f₃，第二弯月形透镜4焦距为f₄，第三弯月形透镜5焦距为f₅，第四弯月形透镜6为f₆，双凸透镜7焦距为f₇，第五弯月形透镜8焦距为f₈，第六弯月形透镜9焦距为f₉，平凸透镜焦距为f₁₀，第七弯月形透镜11焦距为f₁₁，第八弯月形透镜12焦距为f₁₂。则分别满足280mm≤f₂≤350mm，-130mm≤f₃≤-110mm，100mm≤f₄≤120mm，-50mm≤f₅≤-70mm，60mm≤f₆≤80mm，70mm≤f₇≤90mm，-160mm≤f₈≤-180mm，350mm≤f₉≤380mm，70mm≤f₁₀≤90mm，50mm≤f₁₁≤70mm，-15mm≤f₁₂≤-30mm。相较于使用了复杂曲面的显微物镜具有更高的可实现性，更有利于工程化。如表1所示的活细胞相差显微物镜结构参数表：

表1

图2示出本发明的传递函数图像，其表示光学系统中各个视场各个波长子午平面以及弧矢平面内在不同线对处的分辨能力，横轴表示每毫米可分辨的线对数(lp/mm)，纵轴表示对比度，若对比度越高则成像质量越好。通过图2可知，本发明所示的相差显微物镜成像质量已接近衍射极限，具有较高的成像质量。

图3示出光学系统的场曲/畸变图，其表示光学系统在全视场范围内的场曲以及畸变。通过图3可知本发明的相差显微物镜全视场实现平场，同时具有较小畸变。

图4示出光学系统的光斑大小。其为最直观体现光学性能的指标。表示全视场在像面对应的光斑大小。通过图4可知本发明的相差显微镜全视场光斑均方根(RMS)值小于1μm。

图5示出光学系统的圈入能量。其表示光学系统各个视场以及波长在圈入80％能量所对应的光斑大小。与点列图相类似，其80％圈入能量对应的光斑越小则像质越好。通过图5可知本发明的相差显微镜各个视场及各波长对应80％能量的光斑小于1μm。

本发明根据像差理论合理控制镜片摆放结构，通过合理设置弯月形厚透镜以及双分离透镜组，针对性的对场曲以及其余的轴外像差进行校正，最终设计相较于当前市场上常见的显微物镜，同时实现了大视场、大数值孔径的同时具有大后工作距离的特点。

根据图2所示，本发明的传递函数接近衍射极限，具有优秀的成像质量。根据图3所示，本发明实现了全视场平场，同时具有较小的畸变。根据图4所示，本发明的点列图同样接近衍射极限，对于方向设计时使得点列图尽可能小，保证在正向使用时具有良好的像质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于，镜头由依次同轴设置的光阑(1)、弯月形厚透镜(2)、第一弯月形透镜(3)、第二弯月形透镜(4)、第三弯月形透镜(5)、第四弯月形透镜(6)、双凸透镜(7)、第五弯月形透镜(8)、第六弯月形透镜(9)、平凸透镜(10)、第七弯月形透镜(11)、第八弯月形透镜(12)组成；

所述弯月形厚透镜(2)、所述第一弯月形透镜(3)至所述第四弯月形透镜(6)以及所述第五弯月形透镜(8)的弯曲均朝向所述光阑(1)，其余的弯月形透镜的弯曲均背向所述光阑(1)；

所示镜头的焦距为f，数值孔径为NA，入瞳直径为D，后工作距为BFL，其中，15mm≤D≤25mm，0.3≤NA≤0.5，25mm≤f≤40mm，18mm≤BFL≤28mm，像面宽度为7.5mm；

所述光阑(1)与所述弯月形厚透镜(2)的距离为d0，所述弯月形厚透镜(2)与所述第一弯月形透镜(3)的距离为d1，所述第一弯月形透镜(3)与所述第二弯月形透镜(4)的距离为d2，所述第二弯月形透镜(4)与所述第三弯月形透镜(5)的距离为d3，所述第三弯月形透镜(5)与所述第四弯月形透镜(6)的距离为d4，所述第四弯月形透镜(6)与所述双凸透镜(7)的距离为d5，所述双凸透镜(7)与所述第五弯月形透镜(8)的距离为d6，所述第五弯月形透镜(8)与所述第六弯月形透镜(9)的距离为d7，所述第六弯月形透镜(9)与所述平凸透镜(10)的距离为d8，所述平凸透镜(10)与所述第七弯月形透镜(11)的距离为d9，所述第七弯月形透镜(11)与所述第八弯月形透镜(12)的距离为d10，其中，6mm≤d0≤8mm，0≤d1≤2mm，4mm≤d2≤6mm，3mm≤d3≤5mm，2mm≤d4≤4mm，0mm≤d5≤1mm，1mm≤d6≤3mm，0mm≤d7≤1mm，0mm≤d8≤1mm，0mm≤d9≤1mm，1mm≤d10≤3mm；

所述弯月形厚透镜(2)的焦距为f2，所述第一弯月形透镜(3)的焦距为f3，所述第二弯月形透镜(4)的焦距为f4，所述第三弯月形透镜(5)的焦距为f5，所述第四弯月形透镜(6)的焦距为f6，所述双凸透镜(7)的焦距为f7，所述第五弯月形透镜(8)的焦距为f8，所述第六弯月形透镜(9)的焦距为f9，所述平凸透镜的焦距为f10，所述第七弯月形透镜(11)的焦距为f11，所述第八弯月形透镜(12)的焦距为f12，其中，280mm≤f2≤350mm，-130mm≤f3≤-110mm，100mm≤f4≤120mm，-50mm≤f5≤-70mm，60mm≤f6≤80mm，70mm≤f7≤90mm，-160mm≤f8≤-180mm，350mm≤f9≤380mm，70mm≤f10≤90mm，50mm≤f11≤70mm，-15mm≤f12≤-30mm。

2.根据权利要求1所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述镜头的入射平行光为复色光。

3.根据权利要求2所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述弯月形厚透镜(2)的玻璃材料为环保型氟冕玻璃；

所述第一弯月形透镜(3)至所述第四弯月形透镜(6)的玻璃材料分别为环保型镧系冕玻璃、环保型镧系火石玻璃、环保型重镧系火石玻璃、环保型重冕玻璃。

4.根据权利要求3所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述双凸透镜(7)为环保型氟冕玻璃；

所述第五弯月形透镜(8)与所述第六弯月形透镜(9)分别为环保型火石玻璃、环保型重火石玻璃。

5.根据权利要求4所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述平凸透镜(10)为环保型氟冕玻璃；

所述第七弯月形透镜(11)为环保型氟冕玻璃；

所述第八弯月形透镜(12)为环保型重火石玻璃。

6.根据权利要求5所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述镜头应用于相差显微镜。

7.根据权利要求6所述一种远心活细胞相差显微镜镜头，其特征在于：

所述镜头还包括相板，其中，将所述相板插入到所述光阑(1)处，搭配不同的Tube Lens实现不同放大倍率的显微设备。