CN201242610Y - 连续变倍数码摄录显微物镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光学镜头装置，特别是一种适用于需要直接用显示屏对景物适时放大观测和摄录场合的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于连续变倍，包括依次设置的十三片透镜，其中透镜(1)和透镜(2)构成接物透镜组，透镜(3)至透镜(13)构成共轭距为∞的变焦距透镜组，变焦距透镜组包括由透镜(3)至透镜(5)构成的前固定组、由透镜(6)至透镜(8)构成的变倍组、由透镜(9)和透镜(10)构成的后固定组以及由透镜(11)至透镜(13)构成的补偿组；变焦过程中(按变焦距透镜组的短焦焦距归一化后)，变焦距透镜组的前三组元构成近似无焦系统，其中要求：4.7＜D1+D2＜4.9；4.3＜D3+l′＜4.6，f′补＞2.7；1.55＜f′变倍＜1.7；n9＞1.69，v9＞53；3.6＜R7＜6.4，l′7－d7≤±0.1；3＜R22＜3.2。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学镜头装置，特别是一种连续变倍数码摄录显微物镜，适用于教学、科研、检测、实物展示、野外作业等需要直接用显示屏对景物适时放大观测和摄录场合。
背景技术
由于数码摄录技术的迅速发展和摄录器件性价比的不断提高，推动了人们希望摆脱目镜直接用显示屏观察显微放大的像并根据需要把想要的景物像适时的摄录下来的设想。从目前来看，通过显示屏上获得放大景物图像的办法大致有两种方案：一是，用单一物镜把景物的像直接成像在摄像器件上(CCD或CMOS器件)，通过电光转换显示在屏上，这一方案由于焦距单一，适用范围小。二是，在显微镜目镜部分加装转接镜，使经物镜放大的景物像成像在摄像器件上，然后通过电光转换显示在显示屏上，这一方案比较复杂，体积也大。此外，为了能方便捕捉目标和看清景物的细节，大致可通过两种方法实现：一是，通过改变显微镜转换器上不同的齐焦物镜，用低倍物镜捕捉目标，用更高倍率的另一物镜观察景物的细节，显然它是间断式的，容易丢失活动的目标。二是，把物镜做成连续变倍的方式，如倍率较低、孔径角很小的体现显微镜。我们发现早期的专利也提供了用于显微放大的物镜(日本专利47—36781)，它的NA值为0.3；但经计算，在变倍过程中，其像面稳定性差，结构长，视场边缘的图像质量与中间像比下降很多，变倍比也只有4倍。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变倍比高、NA值在0.35以上，像面稳定性好、图像优良的适用于高清晰数码摄录装置的连续变倍数码摄录显微物镜。
本实用新型采用的技术方案是：这种连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：采用高变倍比连续变倍结构替代固定或间断式多档变档结构，包括依次设置的十三片透镜，其中第一片透镜(1)和第二片透镜(2)构成接物透镜组，第三片透镜(3)至第十三片透镜(13)构成共轭距为∞的变焦距透镜组，所述变焦距透镜组包括由第三片透镜(3)至第五片透镜(5)构成的前固定组、由第六片透镜(6)至第八片透镜(8)构成的变倍组、由第九片透镜(9)和第十片透镜(10)构成的后固定组以及由第十一片透镜(11)至第十三片透镜(13)构成的补偿组；变焦过程中(按变焦距透镜组的短焦焦距归一化后)，所述变焦距透镜组的前固定组、变倍组和后固定组构成近似无焦系统，其变倍补偿曲线避开最速变焦选段以降低加工精度的要求，光学装置必须满足的条件如下：
(1)4.7<C1<4.9
(2)4.3<C2<4.6，f′补>2.7
(3)1.55<f′变倍<1.7
(4)n9>1.69，v9>53
(5)3.6<R7<6.4，l′7-d7≤±0.1
(6)3<R22<3.2
所述C1、C2为设定值，C1为前固定组与变倍组之间的空气间隔值D1和变倍组与设于后固定组前侧光栏的空气间隔值D2之和，C2为后固定组与补偿组之间的空气间隔值D3和补偿组与像面的间隔值(后截距)l′之和，f′补为补偿组的合焦距，f′变倍为变倍组的合焦距，n9和v9分别为透镜(9)的折射率和阿贝数，R7为透镜(5)前侧球面的曲率半径，l′7为透镜(5)前侧球面的像距，d7为透镜(5)的中心厚度，R22为透镜(13)前侧球面的的曲率半径。
所述接物透镜组的合焦距为f′接，变焦距透镜组的合焦距为f′变组，按照光学设计的习惯，通常是由工作距离长的一方向工作距离短的一方计算，缩小倍率(M＝f′接/f′变组)的倒数即为显微物镜的放大倍率。
本实用新型的显著特点在于：采用大变倍比、大相对孔径的连续变焦显微物镜替代目前常用的固定焦距显微物镜或在转换器上可变换的多个显微物镜，以实现在显示屏上观察到由小到大的连续放大的景物图像，防止目标的丢失。
该显微物镜采用共轭距为∞的变焦距透镜组与简单的双胶合接物透镜组对接的结构形式，使两部分可以独自进行像差的校正和结构参数的选取，简化了设计；通过使变焦距透镜组的前三组元在变焦过程中始终构成近似无焦系统，方便了第四组元即补偿组光学参数的优化选取。此外，为控制不同焦距的孔径，以利于像差的校正和小型化，在变焦距透镜组的不同位置设置了多个固定孔径光栏，同时通过避开变倍补偿凸轮曲线最速变倍段的变焦方案，使变焦凸轮的加工精度要求下降，利于成本的降低。
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本实用新型实施例的光学结构示意图。
图1中，Ri(i＝1，2，……，22，23)分别为各透镜的球面的曲率半径，d1、d2、d4、d5、d7、d9、d11、d12、d15、d17、d19、d20、d22分别为透镜(1)至透镜(13)的中心厚度，d3、d6、d10、d14、d16、d21分别为各透镜间的空气间隔，l为前截距。
图2是本实用新型实施例选取的变倍补偿曲线示意图。
图3是本实用新型实施例在缩小倍率M＝—1/40(反向放大40x)，NA＝0.355，归一化物高2η＝3.2mm，消色谱线d(F、C)时的各种像差和不同视场(1ω、0.707ω，轴上)的MTF曲线图。球差的横坐标单位为mm，像散曲线和倍率色差的横坐标单位为微米，MTF曲线的横坐标单位是：线对/mm。S表示弧矢方向，T表示子午方向。
图4是本实用新型实施例在缩小倍率M＝—1/20(反向放大20x)，NA＝0.326，归一化物高2η＝3.2mm，消色谱线d(F、C)时的各种像差和不同视场(1ω、0.707ω，轴上)的MTF曲线图。球差的横坐标单位为mm，像散曲线和倍率色差的横坐标单位为微米，MTF曲线的横坐标单位是：线对/mm。S表示弧矢方向，T表示子午方向。
图5是本实用新型实施例在缩小倍率M＝—1/5(反向放大5x)，NA＝0.195，归一化物高2η＝3.2mm，消色谱线d(F、C)时的各种像差和不同视场(1ω、0.707ω，轴上)的MTF曲线图。球差的横坐标单位为mm，像散曲线和倍率色差的横坐标单位为微米，MTF曲线的横坐标单位是：线对/mm。S表示弧矢方向，T表示子午方向。
具体实施方式
本实用新型的连续变倍数码摄录显微物镜，采用高变倍比连续变倍结构替代固定或间断式多档变档结构，包括依次设置的十三片透镜，其中第一片透镜(1)和第二片透镜(2)构成接物透镜组，第三片透镜(3)至第十三片透镜(13)构成共轭距为∞的变焦距透镜组，所述变焦距透镜组包括由第三片透镜(3)至第五片透镜(5)构成的前固定组、由第六片透镜(6)至第八片透镜(8)构成的变倍组、由第九片透镜(9)和第十片透镜(10)构成的后固定组以及由第十一片透镜(11)至第十三片透镜(13)构成的补偿组；变焦过程中(按变焦距透镜组的短焦焦距归一化后)，所述变焦距透镜组的前固定组、变倍组和后固定组构成近似无焦系统，其变倍补偿曲线避开最速变焦选段以降低加工精度的要求，光学装置必须满足的条件如下：
(1)4.7<C1<4.9
(2)4.3<C2<4.6，f′补>2.7
(3)1.55<f′变倍<1.7
(4)n9>1.69，v9>53
(5)3.6<R7<6.4，l′7-d7≤±0.1
(6)3<R22<3.2
所述C1、C2为设定值，C1为前固定组与变倍组之间的空气间隔值D1和变倍组与设于后固定组前侧光栏的空气间隔值D2之和，C2为后固定组与补偿组之间的空气间隔值D3和补偿组与像面的间隔值(后截距)l′之和，f′补为补偿组的合焦距，f′变倍为变倍组的合焦距，n9和v9分别为透镜(9)的折射率和阿贝数，R7为透镜(5)前侧球面的曲率半径，l′7为透镜(5)前侧球面的像距，d7为透镜(5)的中心厚度，R22为透镜(13)前侧球面的的曲率半径。
设定上述条件的目的是：
条件(1)设定的目的是保证变倍组移动至短焦位置时，有足够的间距不致于变倍组元和前固定组元相碰，同时也确保变倍组在长焦时移动量不致于过大。
条件(2)设定的目的是确保变焦距显微物镜有足够长的光学后截距，使得显微整机系统采用由上向下照明和侧面照明时光束能照到物面中心。
条件(3)设定的目的是有利于变焦距组合的小型化的同时，确保不产生过大的高级正球差并有足够大的—S1值校正其他部分产生的球差的剩余量。
条件(4)设定的目的是确保后固定组不产生过大的高级负球差。
条件(5)设定的目的是保证前固定组的第五片透镜(5)的前后球面半径分别处在偏离齐明条件和球心合适的大小量内，以保证前固定组在增大孔径角较多的情况下，不产生过大的+S1和高级负球差。
条件(6)设定的目的是确保后补偿组的第十三片透镜(13)的前表面半径尽量不偏离符合齐明条件的大小量内，以保证后补偿组增大孔径角较多的情况下，不产生过大的+S1和高级负球差。
根据控制各焦距孔径角和优化像差校正的需要，上述变倍组的后侧、后固定组的前侧以及补偿组的前侧分别设有用以限制各焦距孔径角的固定孔径光栏A1、A2、A3。
上述接物透镜组由胶合在一起的凸凹负透镜(1)和双凸正透镜(2)构成，接物透镜组的合焦距为f′接。
上述前固定组由胶合在一起的凸凹负透镜(3)和双凸正透镜(4)以及凸凹正透镜(5)组合构成，前固定组的合焦距为f′前。
上述变倍组由凸凹负透镜(6)以及胶合在一起的双凹负透镜(7)和凸凹正透镜(8)组合构成，变倍组的合焦距为f′变倍。
上述后固定组由双凸正透镜(9)和凹凸负透镜(10)构成，后固定组的合焦距为f′后。
上述补偿组由胶合在一起的凸凹负透镜(11)和双凸正透镜(12)以及双凸正透镜(13)组合构成，补偿组的合焦距为f′补。
在本实施例中，十三片透镜的材料依次为：F4、BaK2、ZF7、ZK3、ZK3、LaK2、ZK7、ZF7、LaK7、QF3、ZF7、ZK3、ZK9。
本实用新型的主要特征是：
根据实现在显示屏上能观察到连续放大的显微放大的景物像的需求，本实用新型采用大变倍比(8倍)、大相对孔径(NA>0.35)的连续变焦显微物镜替代目前常用的固定焦距显微物镜或变换显微镜的转换器上的多物镜方案，以实现在显示屏上观察到由小到大的连续放大的景物图像，防止目标的丢失。此外，该显微物镜采用共轭距为∞的变焦距透镜组与简单的双胶合接物透镜组对接的结构形式，使两部分可以独自进行像差的校正和结构参数的选取，使设计简化；同时，在不同的位置设置控制变焦距透镜组不同焦距孔径的多固定孔径光栏和尽量使变倍补偿曲线避开最速变倍段的方案，提高了成像质量和并使系统小型化，降低了加工精度，提高了连续变焦距显微物镜的性价比。在变倍比达8倍，最大NA值达0.35，物高为3.2mm，空间分辨率为200lp/mm时，各焦距、各视场的MTF值均大于0.4。
表1是本实用新型的实例(归一化后)：
倍率M＝—1/5～—1/40x(反向5x～40x)
NA＝0.195～0.356
物方线视场2η＝3.2(mm)
消色谱线d(F、C)
物像面共轭距：L＝57.54(mm)
| 序号 | R(mm) | d(mm) | nd | 附加说明 | |
| 物面(∞) | 39.0948 | ||||
| 1 | 103.61510 | 0.398520 | 1.62005 | 36.35 | F4 |
| 2 | 15.94078 | 0.996299 | 1.53998 | 59.67 | BaK2 |
| 3 | -22.33702 | 0.0797039 | |||
| 4 | 10.16225 | 0.278964 | 1.80628 | 25.37 | ZF7 |
| 5 | 4.901789 | 1.195558 | 1.58919 | 61.25 | ZK3 |
| 6 | -20.04553 | 0.039852 | |||
| 7 | 3.985195 | 0.557927 | 1.58919 | 61.25 | ZK3 |
| 8 | 6.830623 | D1 | |||
| 9 | 5.937940 | 0.278964 | 1.69211 | 54.54 | LaK2 |
| 10 | 1.557813 | 0.677483 | |||
| 11 | -2.072301 | 0.278964 | 1.61309 | 60.58 | ZK7 |
| 12 | 2.072301 | 0.498149 | 1.80628 | 25.37 | ZF7 |
| 13 | 18.24621 | D2 | 中长焦距孔径光栏位置 | ||
| 14 | ∞ | 0.119556 | 短焦距孔径光栏位置 | ||
| 15 | 6.555645 | 1.275262 | 1.71300 | 53.83 | LaK7 |
| 16 | -4.901789 | 0.438371 | |||
| 17 | -2.381951 | 0.278964 | 1.57502 | 41.31 | QF3 |
| 18 | -5.001419 | D3 | 次短焦距孔径光栏位置 | ||
| 19 | 9.405059 | 0.278964 | 1.80628 | 25.37 | ZF7 |
| 20 | 2.171931 | 0.916595 | 1.58919 | 61.25 | ZK3 |
| 21 | -4.61884 | 0.039852 | |||
| 22 | 3.108452 | 0.717335 | 1.62041 | 60.33 | ZK9 |
| 23 | -13.46996 | l′ | |||
| 24 | 像面(∞) |
表2是本实用新型实施例主要放大倍率对应的变倍补偿曲线归一化后的空气间隔值。其中：D1+D2＝4.742382(mm)，D3+l′＝4.363788(mm)
| 序号 | 倍率M | D1(mm) | D2(mm) | D3(mm) | l′(mm) | f′显物(mm) |
| 1 | -1/5 | 4.1388 | 0.603582 | 1.944 | 2.419788 | -93.18 |
| 2 | -1/10 | 3.22587 | 1.516512 | 1.64669 | 2.717098 | 8.9594 |
| 3 | -1/15 | 2.516139 | 2.226243 | 1.688451 | 2.675337 | 4.2819 |
| 4 | -1/20 | 1.9148 | 2.827582 | 1.7635 | 2.600288 | 2.7824 |
| 5 | -1/25 | 1.382402 | 3.35998 | 1.838288 | 2.5255 | 2.05023 |
| 6 | -1/30 | 0.895433 | 3.846949 | 1.904838 | 2.45895 | 1.6168 |
| 7 | -1/35 | 0.447517 | 4.294865 | 1.963816 | 2.399972 | 1.3338 |
| 8 | -1/40 | 0.073328 | 4.669054 | 2.009734 | 2.354054 | 1.1532 |
表3是本实用新型实施例主要放大倍率对应的NA值和初级像差系数值(归一化后)。
| 序号 | 倍率M | NA | Σs1 | Σs2 | Σs3 | Σs4 | Σs5 | Σc1 | Σc2 |
| 1 | -1/5 | 0.195 | 0.00101 | 0.00051 | -0.00005 | 0.00019 | 0.00064 | -0.00037 | 0.00004 |
| 2 | -1/10 | 0.252 | 0.00385 | -0.00067 | -0.00008 | 0.0000 | 0.00004 | -0.00051 | 0.0001 |
| 3 | -1/20 | 0.326 | 0.01223 | -0.00073 | -0.00001 | 0.00003 | 0.00002 | -0.00094 | 0.00009 |
| 4 | 1/25 | 0.346 | 0.01513 | -0.00073 | -0.00001 | 0.00003 | 0.00001 | -0.00111 | 0.00008 |
| 5 | -1/40 | 0.356 | 0.01308 | -0.00052 | 0.0001 | 0.00001 | 0 | -0.00128 | 0.00006 |
本实施例经归一化后，取f′接＝39.85，f′变组＝1～8(mm)，光学总长OO’＝18.4515(mm)。变焦距透镜组各组元的焦距分配为(归一化后)：
f′前＝7.7461(mm)，f′变倍＝—1.62389(mm)，f′后＝7.2073(mm)，
f′补＝2.85168(mm)。
以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：采用高变倍比连续变倍结构替代固定或间式档变档结构，包括依次设置的十三片透镜，其中第一片透镜(1)和第二片透镜(2)构成接物透镜组，第三片透镜(3)至第十三片透镜(13)构成共轭距为∞的变焦距透镜组，所述变焦距透镜组包括由第三片透镜(3)至第五片透镜(5)构成的前固定组、由第六片透镜(6)至第八片透镜(8)构成的变倍组、由第九片透镜(9)和第十片透镜(10)构成的后固定组以及由第十一片透镜(11)至第十三片透镜(13)构成的补偿组；变焦过程中，所述变焦距透镜组的前固定组、变倍组和后固定组构成近似无焦系统，其变倍补偿曲线避开最速变焦选段以降低加工精度的要求，光学装置必须满足的条件如下：
(1)4.7<C1<4.9
(2)4.3<C2<4.6，f′补>2.7
(3)1.55<f′变倍<1.7
(4)n9>1.69，v9>53
(5)3.6<R7<6.4，l′7-d7≤±0.1
(6)3<R22<3.2
所述C1、C2为设定值，C1为前固定组与变倍组之间的空气间隔值D1和变倍组与设于后固定组前侧光栏的空气间隔值D2之和，C2为后固定组与补偿组之间的空气间隔值D3和补偿组与像面的间隔值l′之和，f′补为补偿组的合焦距，f′变倍为变倍组的合焦距，n9和v9分别为透镜(9)的折射率和阿贝数，R7为透镜(5)前侧球面的曲率半径，l＇7为透镜(5)前侧球面的像距，d7为透镜(5)的中心厚度，R22为透镜(13)前侧球面的的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述变倍组的后侧、后固定组的前侧以及补偿组的前侧分别设有用以限制各焦距孔径角的固定孔径光栏。
3.根据权利要求1或2所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述接物透镜组由胶合在一起的凸凹负透镜(1)和双凸正透镜(2)构成。
4.根据权利要求3所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述前固定组由胶合在一起的凸凹负透镜(3)和双凸正透镜(4)以及凸凹正透镜(5)组合构成。
5.根据权利要求4所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述变倍组由凸凹负透镜(6)以及胶合在一起的双凹负透镜(7)和凸凹正透镜(8)组合构成。
6.根据权利要求5所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述后固定组由双凸正透镜(9)和凹凸负透镜(10)构成。
7.根据权利要求6所述的连续变倍数码摄录显微物镜，其特征在于：所述补偿组由胶合在一起的凸凹负透镜(11)和双凸正透镜(12)以及双凸正透镜(13)组合构成。
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