CN210155401U - 一种大视场显微镜物镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光学显微成像技术领域，具体公开了一种大视场显微镜物镜，包括扫描器和若干镜片，物镜根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜镜体之外；扫描器为单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器时，单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器位于物镜的后焦平面；扫描器为一组两个的单轴扫描器时，物镜的后焦平面位于一组两个的单轴扫描器的中间位置。本实用新型采用保持入射光束直径不变，增大视场角，外置物镜后焦平面的设计理念，为标准台式多光子显微镜提供一种低成本、小体积的高数值孔径大视场成像显微镜物镜。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学显微成像技术领域，具体涉及一种大视场显微镜物镜。
背景技术
传统显微物镜是一种大孔径角和小视场角的光学系统。由于显微物镜被用来提供极高的分辨率(约为200nm，不考虑超分辨技术)，其放大率较高造成视场很小。2001年Martin Oheim等(“Two-photon microscopy in brain tissue:parameters influencingthe imaging depth”,Journal of Neuroscience Methods.111:29-37.)对近似数值孔径的高放大率物镜和低放大率物镜的性能进行对比，指出增大物镜前孔径对于提高荧光的收集效率有很大好处，特别对于深部的多光子荧光激发来说，文中所测试的日本奥林巴斯公司20倍放大率0.95数值孔径物镜相对于63倍放大率0.9数值孔径物镜可提供10倍以上的荧光收集效率。因此，最近日本奥林巴斯公司推出了10倍放大率0.6数值孔径物镜(视场＝1.8mm,焦距＝18mm,视场角5.725度，出曈直径16.24mm)和一系列25倍放大率0.95-1.05数值孔径物镜(视场＝0.72mm，焦距＝7.2mm，视场角5.725度，出瞳直径10.83mm)，日本尼康公司也推出了CFI75 16倍放大率0.8数值孔径物镜(视场＝1.5625mm，焦距＝12.5mm，视场角7.15度，出瞳直径15mm)和25倍放大率1.1数值孔径物镜(视场＝1mm，焦距＝8mm，视场角7.15度，出瞳直径13.233mm)。这些低放大率，高数值孔径的物镜主要依靠大大提高光束直径从而带来了大视场，大通光量的优点，其视场角与原有小光束直径的物镜保持一致。
随着近年来神经科学的发展，传统多光子显微镜的狭小视场无法满足对于海量神经细胞功能性成像的要求，一些研究组陆续实现了超大视场的多光子显微镜。2015年美国P.S.Tsai等(“Ultra-large field-of-view two-photon microscopy”，OptExpress.2015Jun 1；23(11):13833–13847.)依靠优化透镜色差实现了10mm直径超大视场，但其设计基于4倍放大率0.28数值孔径物镜，分辨率过低。2016年英国Gail McConell等(“Anovel optical microscope for imaging large embryos and tissue volumes withsub-cellular resolution throughout”,eLife 2016；5：e18659.)实现了6mm宽，3mm厚样品的共聚焦和非线性成像，采用直径30mm的入射光束，定制了扫描器和直径63mm的大型物镜Mesolens。同样2016年美国K.Svoboda等(“A large field of view two-photonmesoscope with subcellular resolution for in vivo imaging”,eLife 2016；5：e14472.)实现了5mm超大视场，采用了直径20mm的入射光束，并结合线扫描提高成像速度。该设计已进行商业化。目前世界上真正具有使用价值，并已经或正在商业化的超大视野显微镜只有英国和美国K.Svoboda的两种设计。这些超大视场，高数值孔径的物镜也是依靠大大提高入射光束直径从而带来了大视场，大通光量的优点，然而会造成物镜非常昂贵而且体积巨大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种大视场显微镜物镜，以解决现有大视场显微镜物镜体积大的问题。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种大视场显微镜物镜，包括扫描器和若干镜片，物镜根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜镜体之外；扫描器为单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器时，单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器位于物镜的后焦平面；扫描器为一组两个的单轴扫描器时，物镜的后焦平面位于一组两个的单轴扫描器的中间位置。
本实用新型的工作原理及优点在于：本实用新型与普通扫描透镜(scan lens)相比，本实用新型具有超短焦距，高数值孔径，较小视场角；与普通显微镜物镜相比，本实用新型具有较大视场角和外置的后焦平面，因此本实用新型与普通扫描透镜和普通显微镜物镜都有很大区别，是独一无二的。在使用时，使用单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器时，单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器位于的一种大视场显微镜物镜的后焦平面；使用一组两个的单轴扫描器时，的一种大视场显微镜物镜的后焦平面位于一组两个的单轴扫描器的中间位置，由于本实用新型的物镜后焦平面远离物镜镜体(通常为数毫米远)，因此有足够的空间安装扫描器，而无需传统激光扫描显微镜中扫描器和物镜之间的必须的扫描透镜和套筒透镜(tube lens)，显微镜扫描和成像光路的长度被大大缩短，整个物镜体积得以减小。
进一步，物镜的视场直径为1.65毫米。本方案视场直径较大，1.65毫米为较佳的视场直径。
进一步，物镜的视场角大于等于15度。本方案视场角较大，15度为较佳的视场角。
进一步，物镜的入射光束直径为5毫米。本方案保持现有的入射光束直径不变，解决了现有大视场物镜需要增大入射光束直径导致物镜体积较大的问题。
进一步，物镜的数值孔径大于等于0.7。此为较佳的大数值孔径大小。
进一步，物镜的工作距离为1毫米。此为较佳的物镜工作距离。
进一步，镜片数量为五个。本方案采用五个镜片，为最佳镜片数量。
进一步，镜片为光学玻璃镜片或高分子聚合物镜片或红外成像材料镜片。以上三种镜片均为较佳类型的镜片。
附图说明
图1为本实用新型的实施方式一的光学结构示意图；
图2为本实用新型的实施方式一的激发光波长的场曲和畸变图；
图3为本实用新型的实施方式一的激发光波长的焦平面渐晕图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：镜片1、镜片2、镜片3、镜片4、镜片5、扫描器6。
实施方式一
如附图1所示：本实施方式的大视场显微镜物镜包括镜片1、镜片2、镜片3、镜片4、镜片5和扫描器6，扫描器6为单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器，扫描器6用于将反射的激发光束聚焦在样品中，并收集样品中激发出的发射光信号，经聚焦透镜耦合后进入用于传输光信号的光纤或用于检测光信号的光电检测器。物镜根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜镜体之外，扫描器6位于本实施例的根据激发光波长计算的后焦平面。镜片1具有相对像侧的表面S11和相对物侧的表面S12，镜片2具有相对像侧的表面S21和相对物侧的表面S22，镜片3具有相对像侧的表面S31和相对物侧的表面S32，镜片4具有相对像侧的表面S41和相对物侧的表面S42，镜片5具有相对像侧的表面S51和相对物侧的表面S52。
镜片1、镜片2、镜片3、镜片4和镜片5的材料为光学玻璃或高分子聚合物或红外成像材料。
物镜镜片满足以下表一所列的条件。其中，
表一
其中激发光波长为920纳米，发射光波长为520纳米。
其中实施方式一的数值孔径为0.7,工作距离为1毫米，视场直径1.65毫米。
其中实施方式一用于非线性光学成像，因此对消色差要求不高。
图2所示为实施方式一的激发光波长的场曲和畸变图，由于实施方式一用于活体生物组织成像，对于场曲的畸变的要求不高。
图3所示为实施方式一的激发光焦平面渐晕图，激发光波长在最大视角下达到大于0.5的透射效率。
本实施方式展示了一个包含五片球面镜片的方案，包含外壳的长度为29毫米，直径为16毫米，没有对场曲和色差进行矫正，入射光束直径5毫米，兼容商用台式激光扫描显微镜的扫描器(特别是Cambridge Technology Inc公司的产品)，视场直径1.65毫米，相当于一个尼康15放大倍率显微镜物镜。因此实施方式一是成本低，体积小，超大视野，非常适用于活体神经组织双光子成像。
本实施方式采用保持入射光束直径不变，增大视场角，外置物镜后焦平面的设计理念，为标准台式多光子显微镜提供一种低成本、小体积的高数值孔径大视场成像显微镜物镜。
实施方式二
本实施方式与实施方式一的区别在于：本实施例中扫描器采用一组两个的单轴扫描器，物镜的后焦平面位于一组两个的单轴扫描器的中间位置。
以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，特别是将本实用新型的实施例作等比例放大或缩小，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种大视场显微镜物镜，其特征在于：包括扫描器和若干镜片，所述物镜根据激发光波长计算的后焦平面位于物镜镜体之外；所述扫描器为单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器时，单一的单轴扫描器或单一的双轴扫描器位于所述物镜的后焦平面；所述扫描器为一组两个的单轴扫描器时，所述物镜的后焦平面位于一组两个的单轴扫描器的中间位置。
2.根据权利要求1所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述物镜的视场直径为1.65毫米。
3.根据权利要求1所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述物镜的视场角大于或者等于15度。
4.根据权利要求1所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述物镜的入射光束直径为5毫米。
5.根据权利要求1所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述物镜的数值孔径大于等于0.7。
6.根据权利要求1所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述物镜的工作距离为1毫米。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述镜片数量为五个。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种大视场显微镜物镜，其特征在于：所述镜片为光学玻璃镜片或高分子聚合物镜片或红外成像材料镜片。
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