CN205844614U - 一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，属于光学仪器技术领域。本实用新型包括四片球面玻璃透镜，从物方至像方依次排列：第一、第二透镜为胶合透镜组，第一透镜面向物方为平面，面向像方为凹面；第二透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面；第三透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面；第四透镜面向物方为凸面，面向像方为凹面；本实用新型能突破现有技术中数值孔径大则工作距离短的矛盾，在较大数值孔径的前提下获得较长的工作距离，可实现大数值孔径、长工作距离、高分辨力成像，视场大、分辨率高、体积小、加工工艺成熟、成本低。

Description

一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜

技术领域

本实用新型涉及光学仪器技术领域，更具体地说，涉及一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜。

背景技术

显微镜是由一个或几个透镜组合构成的一种光学仪器，已成为很多行业研究必不可少的高科技设备。在一些精密微型领域，特别在生物医疗和科研等领域具有不可替代的作用。显微镜物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷，提高物镜的光学质量。显微镜的放大作用主要取决于物镜，物镜质量的好坏直接影响显微镜映像质量，它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件。物镜的主要参数是数值孔径、工作距离、分辨率、焦深、齐焦距离。

数值孔径是判断显微镜物镜性能(分辨率、焦深、亮度等)的重要指数，工作距离是实际操作使用时的重要参数。数值孔径又叫镜口率，简写为NA。它是由物体与物镜间媒质的折射率(n)与物镜孔径角的一半(θ/2)的正弦值的乘积。数值孔径是显微镜物镜的重要参数，决定了物镜的分辨率，与物镜的放大倍数、工作距离、景深有直接关系。一般来说，它与分辨率成正比，与放大率成正比，焦深与数值孔径的平方成反比，数值孔径增大，视场宽度与工作距离都会相应变小。目前，世界范围内已有各类显微镜物镜，但是技术上一般的10×物镜数值孔径能达到0.25mm，但是工作距离却只有10mm左右，10×物镜数值孔径能达到的最大的数值也只有0.3mm，但是工作距离却只有10mm以下，加长工作距离，数值孔径也会减小很多。

经检索，关于提高显微镜视场的方案已有公开，如中国专利申请号201310546824.4，申请日为2013年11月7日，发明创造名称为：6倍超长工作距离物镜；该申请案公开了一种6倍长工作距离物镜，整个系统由两大组元组成，第一组元具有正的光焦度，第二组元具有负的光焦度；第一组元由三个透镜组组成；第二组元由第四透镜组组成；第一组元的焦距为fG1，第二组元的焦距为fG2，则它们之间满足以下条件：0.98<|fG2/fG1|<1.35；第一组元里各个透镜组中，第一透镜组的焦距为fL1，第二透镜组的焦距为fL2，第三透镜组的焦距为fL3，满足以下条件：119<fL2<135，0.5<fL1/fL3<0.7；第二组元的焦距为fG2，满足以下条件：-78<fG2<-70。该申请案解决了物镜观察视场小，出瞳直径小，成像清晰范围难以达到100％的问题。

又如中国专利申请号201210418310.6，申请日为2012年10月26日，发明创造名称为：用于视频成像的显微物镜光学系统；以及中国专利申请号201210205053.8，申请日为2012年6月20日，发明创造名称为：全自动尿有形分析仪用30倍物镜的专利，上述申请案均通过对透镜的组合设计，达到了增大观察视场的目的，但视场的增大幅度较小，仍不能很好的满足现有技术对显微镜物镜视场及工作环境的需求。

实用新型内容

1.实用新型设计要解决的技术问题

针对现有显微镜物镜需要长工作距离且数值孔径小，不能满足科技发展需要的问题，本实用新型提供了一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，在数值孔径较大的前提下，能得到较长的工作距离，本实用新型突破了现有技术的瓶颈，以满足医药、生物等领域对显微镜成像效果更高的要求。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型设计提供的技术方案为：

本实用新型的一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，包括同光轴设置的四片球面玻璃透镜，分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述的四片透镜从物方至像方依次排列；其中，所述的第一透镜和第二透镜组成胶合透镜组一；上述四片透镜共有七个镜面，从物方至像方依次对七个镜面进行排序：第一透镜面向物方的平面为第一镜面，第一透镜面向像方的凹面和第二透镜面向物方的凸面的胶合面为第二镜面，第二透镜面向像方的凸面为第三镜面，第三透镜面向物方的凸面为第四镜面，第三透镜面向像方的凸面为第五镜面，第四透镜面向物方的凸面为第六镜面，第四透镜面向像方的凹面为第七镜面；七个镜面的曲率半径R、镜面距离D和有效通光孔径Φ分别为：

第一镜面为R1＝∞mm、D1＝2.85～3.50mm、Φ1＝10.50～10.80mm；

第二镜面为R2＝+21.510～+22.125mm、D2＝5.15～5.55mm、Φ2＝11.85～12.50mm；

第三镜面为R3＝－15.70～－16.05mm、D3＝7.35～7.80mm、Φ3＝13.15～13.65mm；

第四镜面为R4＝+23.305～+23.650mm、D4＝5.30～5.60mm、Φ4＝15.85～16.35mm；

第五镜面为R5＝－66.12～－66.35mm、D5＝0.95～1.25mm、Φ5＝15.45～15.85mm；

第六镜面为R6＝+16.115～+16.423mm、D6＝7.30～7.75mm、Φ6＝15.00～15.20mm；

第七镜面为R7＝+10.311～+10.523mm、D7＝199.2～201.05mm、Φ7＝11.30～11.60mm；

上述D1为第一镜面到第二镜面的距离，D2为第二镜面到第三镜面的距离，以此类推，D7为第七镜面到物镜像面的距离。

作为本实用新型更进一步地改进，所述的胶合透镜组一的焦距为+47.39mm；

第三透镜(L3)的焦距为+35.66mm；

第四透镜(L4)的焦距为-79.89mm。

作为本实用新型更进一步地改进，所述的

第一透镜(L1)的折射率/阿贝系数为1.75520/27.53；

第二透镜(L2)的折射率/阿贝系数为1.49700/81.58；

第三透镜(L3)的折射率/阿贝系数为1.49700/81.58；

第四透镜(L4)的折射率/阿贝系数为1.75520/27.53。

作为本实用新型更进一步地改进，显微镜物镜的数值孔径为0.25mm，工作距离为16.5mm。

3.有益效果

采用本实用新型设计提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

本实用新型设计的显微镜物镜，全部采用球面镜片，与现有光学镜片加工与检测工艺完全兼容，制造成本低；且在本实用新型设计给出的七个镜面的结构参数条件下，显微镜物镜的数值孔径能达到0.25mm，工作距离达到16.5mm，能够满足现有技术对显微镜物镜视场及工作距离的高要求。

附图说明

图1为本实用新型的显微镜物镜的结构示意图；

图2为在本实用新型实施例1提供的结构参数下，ZEMAX软件模拟出的显微镜物镜的视场参数表；

图3、图4、图5和图6分别为ZEMAX软件模拟出的在图2视场设定条件下，显微镜物镜成像质量效果图；其中，图3为光线色散情况示意图，其横坐标为归一化孔径，纵坐标为以波数为单位的参考主光线的光程差；图4为单色光基于衍射的能量集中度示意图，其横坐标为衍射光斑的半径，纵坐标为当前半径内的能量占总能量的百分比；图5为多色光光学传递函数示意图，其横坐标为空间频率，纵坐标为传递函数值；图6为波相差与理论值的对比示意图，其为实际波面与参考球面之间的光程差。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型设计的内容，结合附图和实施例对本实用新型设计作详细描述。

实施例1

参照图1，本实施例的显微镜物镜包括同光轴设置的四片球面玻璃透镜，从物方至像方依次排列：

第一透镜L1和第二透镜L2组成胶合透镜组一，其中第.一透镜L1面向物方为平面，面向像方为凹面；第二透镜L2面向物方为凸面，面向像方为凸面，第一透镜L1面向像方的凹面与第二透镜L2面向物方的凸面胶合在一起。

第三透镜L3面向物方为凸面，面向像方为凸面。

第四透镜L4面向物方为凸面，面向像方为凹面。

上述四片透镜共有七个镜面，第一透镜L1面向物方的平面为第一镜面，第一透镜L1面向像方的凹面和第二透镜L2面向物方的凸面的胶合面为第二镜面，第二透镜L2面向像方的凸面为第三镜面，第三透镜L3面向物方的凸面为第四镜面，第三透镜L3面向像方的凸面为第五镜面，第四透镜L4面向物方的凸面为第六镜面，第四透镜L4面向像方的凹面为第七镜面。七个镜面的曲率半径R、镜面距离D、有效通光孔径Φ和四片透镜的折射率/阿贝系数(nd/vd)参见表1：

表1实施例1中四片透镜的结构参数

上表中D1为第一镜面到第二镜面的距离，D2为第二镜面到第三镜面的距离，以此类推，D7为第七镜面到物镜像面的距离。

此外，本实施例所述的胶合透镜组一的焦距为+47.39mm，第三透镜L3的焦距为+35.66mm，第四透镜L4的焦距为-79.89mm。

图2为在本实施例提供的上述参数下，ZEMAX软件模拟出的显微镜物镜的视场参数表。由图2的参数可得，本实施例显微镜物镜的视场为22mm，显微镜物镜的视场大幅度增大，能够满足现有技术对显微镜物镜视场的高要求。

图3、图4、图5和图6分别为ZEMAX软件模拟出的在图2视场设定条件下，显微镜物镜成像质量效果图。图3所展示的是在大视场下光线色散的情况，由图3可以看出，在不同视场下，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差关系，X、Y分别表示弧矢分量和子午分量，图像的最大垂直比例为±50.000波长。以由上至下、由左至右的顺序看图，第一幅图像表示视场点为0.0000mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差曲线图，以横坐标轴为基准，由下至上的各曲线分别代表波长为0.644、0.546、0.480、0.436的曲线；第二幅图像表示视场点为0.5050mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差曲线图，以横坐标轴为基准，由下至上的各曲线分别代表波长为0.644、0.546、0.480、0.436的曲线；第三幅图像表示视场点为0.7070mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差曲线图，以横坐标轴为基准，由下至上的各曲线分别代表波长为0.644、0.546、0.480、0.436的曲线；第四幅图像表示视场点为0.8660mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差曲线图，以横坐标轴为基准，由下至上的各曲线分别代表波长为0.644、0.546、0.480、0.436的曲线；第五幅图像表示视场点为1.1000mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐标下光程差曲线图，以横坐标轴为基准，由下至上的各曲线分别代表波长为0.644、0.546、0.480、0.436的曲线。其中每副曲线图中的曲线越靠近横坐标轴，其光程差越好，由图像可以体现出整个视场的色散较好。

图4所展示的是在大视场下，单色光体现出的基于衍射的能量集中度。图4中，各曲线与基准线相交由下至上，每条曲线分别表示视场点为1.1000mm、0.8660mm、0.7070mm、0.5050mm、0.0000mm时，视场的能量百分比与光斑半径之间的关系，其中最上面一条曲线为理想情况下能量百分比与光斑半径的关系，其他曲线与此理想曲线之间差距越小越好，图4可以体现出整个视场较好的能量集中度。

图5所展示的是在大视场下多色光光学传递函数。图5中T为子午分量，S为弧矢分量；作一基准线，各曲线与基准线相交由下至上，其第一条曲线表示视场点为1.1000的弧矢分量的传递函数，第二条曲线表示视场点为1.1000mm的子午分量的传递函数，第三条曲线表示视场点为0.8660mm的子午分量的传递函数，第四条曲线表示视场点为0.7070mm的子午分量的传递函数，第五条曲线表示视场点为0.5050mm的子午分量的传递函数，第六条曲线表示视场点为0.8660mm的弧矢分量的传递函数，第七条曲线表示视场点为0.5050mm的弧矢分量的传递函数，第八条曲线表示视场点为0.0000mm的子午分量的传递函数和弧矢分量的传递函数，第九条曲线表示视场点为0.7070mm的弧矢分量的传递函数。其中第十条曲线为理想情况下的传递函数曲线，其他曲线与此理想曲线越接近表示性能越好，由图5可以看出整个视场的衬度非常好。图6所展示的是在大视场下，波相差与理论值接近完美。

实施例2

本实施例的显微镜物镜，结构基本同实施例1，本实施例七个镜面的曲率半径R、镜面距离D、有效通光孔径Φ和四片透镜的折射率/阿贝系数(nd/vd)参见表2：

表2实施例2中四片透镜的结构参数

上表中D1为第一镜面到第二镜面的距离，D2为第二镜面到第三镜面的距离，以此类推，D7为第七镜面到物镜像面的距离。

本实施例显微镜物镜的数值孔径同样能够达到0.25mm，工作距离达到16.5mm，能够满足现有技术对显微镜物镜视场及工作距离的高要求。

实施例3

本实施例的显微镜物镜，结构基本同实施例1，本实施例七个镜面的曲率半径R、镜面距离D、有效通光孔径Φ和四片透镜的折射率/阿贝系数(nd/vd)参见表3：

表3实施例3中四片透镜的结构参数

上表中D1为第一镜面到第二镜面的距离，D2为第二镜面到第三镜面的距离，以此类推，D7为第七镜面到物镜像面的距离。

本实施例显微镜物镜的数值孔径同样能够达到0.25mm，工作距离达到16.5mm，能够满足现有技术对显微镜物镜视场及工作距离的高要求。

实施例1～3所述的显微镜物镜，可实现高分辨力的成像，数值孔径大、工作距离长、视场大、分辨率高；全部采用球面镜片，与现有光学镜片加工与检测工艺完全兼容，体积小、加工工艺成熟、制造成本低，便于推广应用。

Claims (4)

1.一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：包括同光轴设置的四片球面玻璃透镜，分别为：第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)，所述的四片透镜从物方至像方依次排列；其中，所述的第一透镜(L1)和第二透镜(L2)组成胶合透镜组一；上述四片透镜共有七个镜面，从物方至像方依次对七个镜面进行排序：第一透镜(L1)面向物方的平面为第一镜面，第一透镜(L1)面向像方的凹面和第二透镜(L2)面向物方的凸面的胶合面为第二镜面，第二透镜(L2)面向像方的凸面为第三镜面，第三透镜(L3)面向物方的凸面为第四镜面，第三透镜(L3)面向像方的凸面为第五镜面，第四透镜(L4)面向物方的凸面为第六镜面，第四透镜(L4)面向像方的凹面为第七镜面；七个镜面的曲率半径R、镜面距离D和有效通光孔径Φ分别为：

第一镜面为R1＝∞mm、D1＝2.85～3.50mm、Φ1＝10.50～10.80mm；

第二镜面为R2＝+21.510～+22.125mm、D2＝5.15～5.55mm、Φ2＝11.85～12.50mm；

第三镜面为R3＝－15.70～－16.05mm、D3＝7.35～7.80mm、Φ3＝13.15～13.65mm；

第四镜面为R4＝+23.305～+23.650mm、D4＝5.30～5.60mm、Φ4＝15.85～16.35mm；

第五镜面为R5＝－66.12～－66.35mm、D5＝0.95～1.25mm、Φ5＝15.45～15.85mm；

第六镜面为R6＝+16.115～+16.423mm、D6＝7.30～7.75mm、Φ6＝15.00～15.20mm；

第七镜面为R7＝+10.311～+10.523mm、D7＝199.2～201.05mm、Φ7＝11.30～11.60mm；

上述D1为第一镜面到第二镜面的距离，D2为第二镜面到第三镜面的距离，以此类推，D7为第七镜面到物镜像面的距离。

2.根据权利要求1所述的一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述的

胶合透镜组一的焦距为+47.39mm；

第三透镜(L3)的焦距为+35.66mm；

第四透镜(L4)的焦距为-79.89mm。

3.根据权利要求2所述的一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：所述的

第一透镜(L1)的折射率/阿贝系数为1.75520/27.53；

第二透镜(L2)的折射率/阿贝系数为1.49700/81.58；

第三透镜(L3)的折射率/阿贝系数为1.49700/81.58；

第四透镜(L4)的折射率/阿贝系数为1.75520/27.53。

4.据权利要求1～3任一项所述的一种大数值孔径、长工作距离的显微镜物镜，其特征在于：显微镜物镜的数值孔径为0.25mm，工作距离为16.5mm。