CN210005783U - 一种大视野高性能的超小型显微物镜 - Google Patents

Abstract

一种大视野高性能的超小型显微物镜，是一种折反射式光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜均为弯月透镜，面向物面的表面为凹面，面向像面的表面为凸面，第一透镜面向物面为前表面，第二透镜面向像面为后表面，均镀有半透半反光学介质分光薄膜，孔径光阑位于第一透镜面向像面的后表面，物面位于第一透镜前表面前端有限远位置，像面位于第二透镜后表面后端有限远位置。本实用新型采用折反射式结构，简洁地实现了光在系统内的衍射最大路径，达到衍射极限。本实用新型其中一种实例实现了视野范围直径为1毫米，数值孔径为0.6，系统总长为4.23毫米，放大倍数为5.14倍，成像分辨率为0.24微米/像素。

Description

一种大视野高性能的超小型显微物镜

技术领域

本实用新型涉及光学成像领域，具体的说是一种大视野高性能的超小型显微物镜。

背景技术

显微物镜是光学显微镜系统中不可缺少的重要光学部件之一，它使用在显微镜设备的前端，是显微镜光学系统中第一个接收到被观测物体光线的透镜。一般来说，显微物镜由入瞳透镜，孔径光阑，中间透镜或中间透镜组合，以及出瞳透镜组成，作用是将本观测物体的局部区域进行放大，以实现人们对微观世界的观察。来自被观测物体的光线，首先通过入瞳透镜，照射入镜筒之中，其次在孔径光阑和中间透镜的作用下被放大，最后通过出瞳透镜照射到镜筒之外，并实现清晰的成像。

显微物镜的性能主要由：数值孔径、视野范围、放大倍数、有效焦距。数值孔径描述了物镜收光锥角的大小，直接决定显微物镜的收光能力以及光学分辨率，例如：数值孔径越大，显微物镜收光能力越强，光学分辨率越高；视野范围是显微物镜所能够放大成像的观测物体范围，放大倍数是视野范围与成像面积的比例，通常在成像面积固定的情况下，放大倍数越大，视野范围越小，所需要的中间透镜数量越多(通常大于三片透镜)，以抑制高倍率成像的像差；有效焦距是光学系统的主点到焦点在光轴上的距离，有效焦距越小，放大倍数越大，视野范围越小，数值孔径越大。

对于光学显微镜使用者来说，理想的显微物镜具备特点：较大视野范围、较大数值孔径，以实现一次性即可观察到被观测物体超微结构的全部细节，提高显微观察效率，减少观察负担。然而，根据上述决定显微物镜性能的各参数之间关系可知，对超微结构的清晰成像，势必需要增大数值孔径以及放大倍数，这必然导致视野范围的缩小，中间透镜数量增多，显微物镜的体积和制作生产成本和装配难度骤增。

上述的传统显微物镜中存在的限制，导致在实际应用中，为光学显微镜使用者带来诸多不变。例如，在病理诊断领域，医生每天要承担100张以上的病理切片显微观察任务，使用传统显微物镜，由于数值孔径和放大倍数的限制，医生在观察每一张切片时都需要反复切换不同倍率的显微物镜，以实现对病理切片从宏观到超微结构的精确观察，保证病理诊断的精准；由于视野范围的限制，医生在进行显微观察时必须操作平移载物台，以实现对整个切片中每一个局部组织的观察和诊断，防止误诊和漏诊；上述说明传统显微镜性能上的限制，导致光学显微镜使用复杂度加大，医生观察一张病理切片通常需要20分钟以上，效率极低，面对巨大的诊断工作量，病理医生的劳动负担以及强度巨大，不仅威胁着病理医生身心健康，同时也为病理诊断的漏诊和误诊增大了风险。另一方面，由于显微物镜体积大，导致光学显微镜体积大，不利于其在面积受限的病理科进行大量放置，同时高昂的价格，不利于医院的采购，也导致了病理诊断医疗费用的增加。

随着科技的进步，近年来出现的数字病理技术，成为了解决以上传统显微物镜问题的关键。数字病理利用电动载物台和数字相机，对整张病理切片组织进行扫描并拍摄每一个显微视野的组织超微结构图像，再利用图像拼接技术，完成整张病理切片组织的数字化高清成像，病理医生通过计算机显示器即可观察整张病理切片上每一个细节，通过对图像的放大、缩小和平移，轻松且精准地完成病理诊断。然而，目前数字病理设备中仍然采用传统的显微物镜，由于传统显微物镜中存在的限制而导致的诸多问题从病理诊断转移到病理诊断之前的病理切片扫描过程中，导致数字病理图像成像速度缓慢，通常需要数十分钟才能完成一张切片的数字化扫描，因此，数字病理技术虽然能够在一定程度上减轻病理医生的负担和劳动强度，一定程度地提升病理诊断精准度，但是，病理诊断的效率仍然没有得到改善，甚至比传统的病理诊断效率更加低下，这严重限制了数字病理技术的发展及其在临床中的应用。

为了突破传统显微物镜的限制，解决传统显微物镜在应用中的问题，真正实现数字病理技术的价值，需要一种新型显微物镜，要求数值孔径、视野范围都足够大的同时，要求体积小，成本低，颠覆传统显微物镜，便于缩小光学显微镜体积，提高数字病理的扫描成像时间。

实用新型内容

根据上述传统显微物镜的问题以及改善需要，本实用新型提供一种大视野高性能的超小型显微物镜。可应用于光学显微镜领域，实现超小型化的光学显微镜产品，主要应用于数字病理成像领域，实现超小型化且超高速的数字病理切片扫描。所述应用于光学显微镜领域，主要应用于数字病理成像领域的大视野高性能的超小型显微物镜的性能参数为：数值孔径0.4～0.9，有效焦距0.5～1.0毫米，入瞳直径1.0～2.0毫米，光学系统总长度小于25毫米，视野范围大于1毫米，光学放大倍数4～10倍，成像分辨率0.1～1.0微米/像素，工作波长为0.466～0.643微米的可见光范围，其中中心波长0.542微米。

本实用新型的成像原理是这样的：

一种大视野高性能的超小型显微物镜，是一种折反射式的物镜。首先，沿其光轴方向，从被观测物体表面(物面)到成像表面(像面)依次包括第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月透镜，面向物面的前表面为凹面，面向像面的后表面为凸面；所述的第二透镜为凹凸透镜，面向物面的前表面为凹面，面向像面的后表面为凸面；所述的第一透镜和第二透镜的前后表面曲率均不相同；孔径光阑位于第一透镜的后表面位置。

所述的超小型显微物镜，沿其光轴方向，第一透镜的前表面和第二透镜的后表面均镀有半透半反光学介质分光薄膜，所述半透半反光学介质分光薄膜是一种光学镀膜，能够使入射光沿入射方向透过并继续传播，同时使入射光沿入射逆方向反射并沿入射逆方向继续传播，沿入射方向透过并继续传播的光为透过光，沿入射逆方向发射并沿入射逆方向继续传播的光为反射光，根据能量守恒定律，反射光与透过光的能量总和等于入射光的能量，具体体现在反射光与透过光的光照强度的总和等于入射光的光照强度。

所述的超小型显微物镜，所有透镜的材料均采用低熔点和高低色散搭配的玻璃。

上述的材质高低色散搭配，也即第一透镜选用高色散材料玻璃且第二透镜选用低色散材料玻璃，或者第一透镜选用低色散材料玻璃且第二透镜选用高色散材料玻璃，通过上述高低色散的材质组合搭配，使光学色散相互补偿，实现色差的消除以及成像质量的提升。

所述的超小型显微物镜，其成像原理是这样的：沿光轴方向，来自被观测物体的光照射到第一透镜的前表面，通过第一半透半反光学介质分光薄膜，一部分光被反射到光学系统之外，不进行成像，另一部分光通过膜进入光学系统，形成入射光，进入光学系统的入射光通过第一透镜，从第一透镜的后表面出射，通过第一透镜与第二透镜之间的空气间隙，入射到第二透镜的前表面并照射到第二透镜的后表面，通过第二透镜的后表面上的第二半透半反光学介质分光薄膜，一部分光通过膜出射到光学系统之外，形成发散的、光照强度弱的光并照射到像面，另一部分光发生反射并根据第二透镜后表面的曲率汇聚照射到第一透镜中，这一部分反射光再通过第一透镜前表面的第一半透半反光学介质分光薄膜，根据第一透镜前表面的曲率，汇聚照射到第二透镜的后表面，透过第二透镜的第二半透半反光学介质分光薄膜，继续汇聚形成集中并光照强度强的焦点，该焦点位置即为像面位置。

根据上述成像原理，在像面上的光成分为发散的、没有形成焦点的完全透射光，以及汇聚的、形成成像焦点的多次反射光，多次反射光的辐照远远高于一次完全透射光，在成像中，完全透射光为噪声，多次反射光为成像，因此成像对比噪声的信噪比高，即使存在完全透射光，也对清晰成像不会造成较大影响。

进一步的，前述的第一透镜和第二透镜是圆形透镜，第一透镜和第二透镜之间具有间隔；间隔中可充满空气或者液体，又或者间隔内设有满足更高成像要求的其他透镜及其他透镜组合。

进一步的，前述第一透镜的前表面和后表面的面型为非球面或者自定义曲面，第二透镜的前表面和后表面为非球面或者自定义曲面。使用非球面或者自定义曲面的表面，能够使光学系统设计更容易达到小型化的要求，也能够更加容易地使光学系统设计的优化，完全符合系统性能要求。而使用传统球面表面的情况下，达到光学系统性能要求需要更大面积透镜或者更长的光学系统距离，简单地说，使用非球面或者自定义曲面的表面，在光学系统小型化以及高性能要求的制约下，光学系统设计的优化更加完善，而球面表面则不能同时满足高性能要求和小型化要求的制约。

本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜与现有技术相比，具有如下的性能以及应用优点：

(1)本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统内采用折反射式结构，不仅能够以极少的透镜数量实现高性能的光学显微物镜，而且增长了光线在光学系统中传播的路径长度，使显微物镜达到了其所能的衍射极限，将两片透镜的光学性能发挥到极致；

(2)本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜，由于保证高性能的同时减少了透镜的数量，带来物镜体积的极大减少，生产成本的极大节省，以及生产难度的极大降低；

(3)本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜，能够实现成像光的汇聚，形成高能量成像焦点，极大提升成像的信噪比，实现在一个大的显微视野内的高质量清晰成像；

(4)本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜，完全满足光学显微镜的小型化需求，特别地，完全满足数字病理高速扫描的需求，能够将传统的数字病理扫描时间提升10倍以上，完全满足数字病理技术在临床病理诊断中的高效与精准的应用需求。

附图说明

图1为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的结构及光路图；

图2为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的第一透镜的结构图；

图3为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的第二透镜的结构图；

图4为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的调制传递函数MTF图；

图5为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的纵截面的光线特性光扇图；

图6为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的横截面的光线特性光扇图；

图7为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的纵截面的光程光扇图；

图8为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的横截面的光程光扇图；

图9为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的点列图；

图10为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的视场场曲图；

图11为本实用新型大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的畸变图。

附图标记：1-物面，2-盖玻片，301-第一半透半反光学介质分光薄膜， 302-第一透镜，303-第一透镜后表面，401-第二透镜前表面，402-第二透镜， 403-第二半透半反光学介质分光薄膜，5-像面。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以下将本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统做进一步的详细描述，但不应该限定本实用新型的保护范围。

本实用新型的目的在于提供一种大视野高性能的超小型显微物镜光学系统，为光学显微镜领域提供设备小型化的实现方案和成像光学系统，特别地，为数字病理领域提供超高速化和设备小型化的实现方案和成像光学系统。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的一种实施例，具体性能参数为：视野范围直径为1毫米，数值孔径为0.6，有效焦距为0.78毫米，入瞳直径为1.17毫米，视野范围为1.17毫米，系统总长为4.23毫米，放大倍数为5.14倍，成像分辨率为0.24微米/像素，工作波长为0.4微米到0.7 微米的可见光波长区域，设计波长为0.643微米、0.591微米、0.542微米、 0.5微米、0.466微米，其中设计中心波长为0.542微米，上述参数满足光学显微镜成像和设备小型化的实现需要，满足数字病理扫描效率提升以及高质量显微成像的实现需要。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的一种实施例，主要性能参数之间具体满足如下关系：

数值孔径与工作介质折射率以及入射光最大锥角的半角之间的关系：

NA＝n*sinθ-----------------------------------------------式1

其中，NA表示数值孔径，n表示工作介质折射率，θ表示入射光最大锥角的半角。

入射光最大锥角的半角与入瞳直径以及有效焦距之间的关系：

tanθ＝EPD/(2*EFL)----------------------------------------式2

其中，θ表示入射光最大锥角的半角，EPD表示入瞳直径，EFL表示有效焦距。

成像分辨率与放大倍数以及视野范围之间得关系：

δ＝ρ²/(Mag*U)--------------------------------------------式3

其中，δ表示成像分辨率，ρ表示图像传感器的像素大小，Mag表示放大倍数，U表示单位长度；本实例中ρ具体为1.12微米，U具体为1微米，Mag 具体为5.14，因此，成像分辨率具体为0.24微米/像素。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的一种实施例，具体使用两片的光学透镜，材质为高熔点和高低色散搭配的玻璃，具体为第一透镜302 采用高色散材质玻璃搭配第二透镜402采用低色散材质玻璃，或者第一透镜 302采用低色散材质玻璃搭配第二透镜402采用高色散材质玻璃，例如SCHOTT 公司的编号NLAF35材料(Vd＝-2.6444)搭配编号NSK16(Vd＝-0.0007)材料，或者HOYA公司的编号NBF2(Vd＝-0.9575)材料搭配编号MBACD15(Vd＝2.1589)材料，又或者成都光明公司的编号DLAF82L(Vd＝-2.0274)材料搭配HZK7(Vd＝-0.2680)材料等。

所述大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的一种实施例，具体为沿光轴方向从左向右分别设置的物面1，第一透镜302，第二透镜402，以及像面5，其中物面1位于最左侧有限远，像面5位于最右侧有限远第一透镜302 的前表面以及第二透镜402的后表面均镀有半透头半反的光学介质分光薄膜。该半透半反的光学介质分光薄膜，具体为：一种半透半反光学介质分光镀膜，利用其光学性能，实现对入射到镀膜表面的光，一部分进行透射，一部分进行反射。

本实用新型一种大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的一种实施例，如图1至图3所示，光在系统中的传播路径具体如下：首先沿光轴方向，从被观测物体来的光照射到镀有第一半透半反光学介质分光薄膜301的第一透镜302前表面，第一透镜302前表面面向物面1为凹面，面向像面5为凸面，第一半透半反光学介质分光薄膜301的曲率与第一透镜302前表面的曲率相同，入射光被第一透镜302前表面镀膜反射的光不作成像，另一部分被透过的光通过第一透镜302及其后表面303，照射到第二透镜402的前表面 401，第一透镜302的后表面303面向物面1为凹面，面向像面5为凸面，第二透镜402的前表面401面向物面1为凹面，面向像面5为凸面；光线通过第二透镜402的前表面401，照射到镀有第二半透半反光学介质分光薄膜403 的第二透镜402后表面，第二透镜402后表面面向物面1为凹面，面向像面 5为凸面，第二透镜402后表面的光学镀膜的曲率与第二透镜402后表面的曲率相同；被第二透镜402后表面的第二半透半反光学介质分光薄膜403反射的光再次进入光学系统，透过第二透镜402后表面光学膜的光散射照射到像面5。

其次，再次进入光学系统的光，被第二透镜402所聚焦，再次进入第一透镜302，再通过第一透镜302前表面的第一半透半反光学介质分光薄膜301 进行反射，最终聚焦照射到像面5上；因此像面5上具有散射的第一次光传播透射光，同时具有聚焦的折反射光，但是由于聚焦光的光照强度远大于散射光的光照强度，因此，像面5上能够成高信噪比的高清高质量的显微图像。

前述的第一透镜302和第二透镜402可以均是圆形透镜。第一透镜302 和第二透镜402之间具有间隔。间隔中可以充满空气或者液体，又或者间隔内设有其他透镜及其他透镜组合。第一透镜302的前表面和后表面的面型可以均为非球面，第二透镜402的前表面和后表面可以均为非球面。

本实用新型公开的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的设计数据如表2所示。表2给出了上述的一种实施例：大视野高性能的超小型显微物镜光学系统中每一片透镜表面以及半透半反光学介质分光薄膜的具体设计参数值。

表2为本实用新型的一种大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的设计参数。

图4显示了本实施例的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统的调制传递函数MTF，接近衍射极限。图5显示了本实施例的光学系统的纵截面的光线特性，图6显示了本实施例的光学系统的横截面的光线特性。图7显示了本实施例的光学系统的纵截面的光程特性图，图8显示了本实施例的光学系统的横截面的光程特性图。图9显示了本实施例的光学系统点列图。图10 显示了本实施例的光学系统视场场曲图，图11显示了本实施例的光学系统畸变图。这些性能图均表示了本实用新型的大视野高性能的超小型显微物镜光学系统具有良好的光学性能，成像质量接近完美成像，完全满足光学显微观察以及数字病理成像的要求。

这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种大视野高性能的超小型显微物镜，沿其光轴方向，依次包括第一透镜和第二透镜，其特征在于：第一透镜面向物面的表面为前表面，面向像面的表面为后表面；第二透镜面向物面的表面为前表面，面向像面的表面为后表面；所述的第一透镜和第二透镜构成一种折反射式光学系统，在第一透镜前表面镀有第一半透半反光学介质分光薄膜，在第二透镜后表面镀有第二半透半反光学介质分光薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种大视野高性能的超小型显微物镜，其特征在于，第一透镜和第二透镜是圆形透镜，第一透镜和第二透镜之间具有间隔；间隔中充满空气或者液体，又或者间隔内设有透镜及透镜组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种大视野高性能的超小型显微物镜，其特征在于，第一透镜的前表面和后表面的面型为非球面，第二透镜的前表面和后表面为非球面。

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