WO2018157683A1 - 一种显微物镜以及具有该显微物镜的宽视场高分辨率成像系统 - Google Patents
一种显微物镜以及具有该显微物镜的宽视场高分辨率成像系统 Download PDFInfo
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- the invention belongs to the field of optical microscopy, and in particular relates to a microscope objective and a wide field of view high resolution imaging system having the same.
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- the Bay coefficient glass is used to correct the chromatic aberration of the wide band.
- the microscopic imaging objective has a magnification of 35 and a numerical aperture of 0.3.
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Abstract
一种显微物镜（200），具有光轴自左向右顺序排列的第一透镜组（201）、第二透镜组（202）、第三透镜组（203）、第四透镜组（204）、第五透镜组（205）、第六透镜组（206）、第七透镜组（207）、第八透镜组（208）、第九透镜组（209）和第十透镜组（210），第一透镜组（201）光焦度为负；第二透镜组（202）为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片透镜光焦度为负；第三透镜组（203）光焦度为正；第四透镜组（204）和第五透镜组（205）为双胶合透镜，每组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正；第六透镜组（206）光焦度为正；第七透镜组（207）光焦度为负；第八透镜组（208）光焦度为负；第九透镜组（209）光焦度为正；第十透镜组（210）光焦度为正。还公开一种具有显微物镜（200）宽视场高分辨率成像系统。
Description
本发明属于光学显微技术领域，特别涉及一种显微物镜以及具有该显微物镜的宽视场高分辨率成像系统。
随着科学技术的发展，人们不断追求越来越大的视场和越来越高的分辨能力。在显微成像领域，这一点显得尤为重要，一个好的物镜结构对显微镜成像的效果影响甚远。
普通的显微镜物镜在视场和分辨能力上不能兼得，而提高物镜的成像质量对于整个显微系统来说又非常的重要，这里显微系统分辨能力主要取决于物镜的衍射极限，所以物镜的设计是整个显微系统中至关重要的部分。
显微物镜的数值孔径是显微镜的重要光学参数，由瑞利判据和正弦条件可知，显微系统的分辨率可表示为σ＝0.61λ/NA，其中λ为光波长，NA为数值孔径。使用短波长的光可以提高显微系统的分辨率。在同样波长下的光，要想提高显微系统的分辨率，则应该增加数值孔径NA。显微镜的数值孔径可表示为NA＝nsinα，所以可以通过使用油浸物镜来增加数值孔径的值，但是这样的加大了使用的难度。此外，物镜的数值孔径在一定程度上还取决于光学系统像差的校正情况，我们常用低折射率、低色散的萤石镜片来改善色差提高镜头的成像品质。
如今，光学显微镜在生物医学等众多领域发挥着重要的作用。来到20世纪，光学显微镜的分辨能力已经可以到纳米尺度。现在的显微镜在大视场范围内的观察，尤其是在大视场荧光下观察的需求越来越多，而增大显微物镜的视场同时具有较高的分辨率是今后显微物镜设计的关键。
发明内容
本发明提供了一种显微物镜以及具有该显微物镜的宽视场高分辨率成像系统，通过对光学系统的设计和照明装置的改进，使显微物镜能在不同照明方式下进行观察，有效提高了显微物镜系统的分辨率和应用范围。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种显微物镜，所述的显微物镜具有光轴自左向右顺序排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组。
所述显微物镜采用十组十三片球面透镜，十个透镜组分别为第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组。所述的第一透镜组至第五透镜组采用正透镜和双胶合透镜组合的结构形式，使系统主面前移获得长焦距和短工作距离。所述的第一透镜组光焦度为负，第二透镜组为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片光焦度为负。第三透镜组光焦度为正。第四、五透镜组为双胶合透镜，每一组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正。所述的第六透镜组至第十透镜组采用双胶合组及高阿贝系数玻璃矫正宽波段色差，延长了系统的后工作距离。所述的第六透镜组光焦度为正，第七透镜组光焦度为负，第八透镜组光焦度为负，第九透镜组光焦度为正，第十透镜组光焦度为正。
所述第一透镜组采用的材料是H-ZF52A，前表面的半径为-17.039mm，后表面的半径为-21.8mm，厚度为6.3mm。第二透镜组有两片透镜胶合而成，采用的材料分别是H-ZF52A和H-LAK3，第一片透镜的前表面半径为-114.485mm，后表面半径为-26.89mm，厚度为10.5mm；第二片透镜的后表面半径为-52.986mm，厚度为3.1mm。第三透镜组采用的材料是H-ZF52A，前表面的半径为55.534mm，后表面的半径为-122mm，厚度为29.9mm。第四透镜组和第五透镜组都是双胶合透镜组，所采用的材料都是H-ZF7LA和H-ZBAF3，第四透镜组的第一片透镜前表面半径为-89.2mm，后表面半径为24.21mm，厚度为25mm；第二片透镜后表面半径为-36.85mm，厚度为10.4mm。第五透镜组第一片透镜前表面半径为 -32.214mm，后表面半径为30.2mm，厚度为2.5mm；第二片透镜后表面半径为-89.77mm，厚度为7.3mm。第六透镜组采用的材料是H-ZBAF5，前表面半径为44.253mm，后表面半径为-50.35mm，透镜的厚度为19.8mm。第七透镜组采用的材料是H-F2，前表面半径为-38.68mm，后表面半径为336.84mm，厚度为25mm。第八透镜组采用的材料是H-LAK3，前表面半径为-26.42mm，后表面半径为-222.59mm，厚度为4mm。第九透镜组采用的材料是ZF5，前表面半径为-150.714mm，后表面半径为-69.98mm，厚度为15.6mm。第十透镜组采用的材料是H-ZBAF5，前表面半径为3200mm，后表面半径为-174.5mm，厚度为13.25mm。
所述的显微物镜还包括位于孔径光阑，其位置在第六组透镜前0.5mm处。
本发明还提供了一种宽视场高分辨率成像系统，包括光源、显微成像物镜、分光镜组和反射镜组，所述的显微成像物镜、分光镜组和反射镜组在同一光轴上，用于形成曲形像面。
所述的显微成像物镜具有光轴自左向右顺序排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组，所述第一透镜组光焦度为负；所述第二透镜组为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片透镜光焦度为负；所述第三透镜组光焦度为正；所述第四透镜组和五透镜组为双胶合透镜，每组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正；所述的第六透镜组光焦度为正；第七透镜组光焦度为负；第八透镜组光焦度为负；第九透镜组光焦度为正；第十透镜组光焦度为正。
优选的，第一透镜组至第五透镜组采用正透镜和双胶合透镜相互组合的形式，使系统主面前移获得长焦距和短工作距离，第六透镜组至第十透镜组采用若干高阿贝系数玻璃来矫正宽波段的色差。
优选的，所述的显微成像物镜放大倍数为35，数值孔径为0.3。
优选的，所述的分光镜组由一面半反半透镜和一面二向色镜组成。
优选的，所述的半反半透镜和二向色镜与光轴的夹角均为45°，二者可通过机械导轨装置进行移动。
优选的，所述的反射镜组与光轴的夹角为45°，能使系统的光路折转90°。
优选的，所述的曲形像面与反射镜组在同一光轴上，与显微成像物镜所在的光轴垂直，所述曲形像面的曲率半径为2016mm。
本发明主要由十个透镜组组成的显微物镜光学系统，这十个透镜组沿光轴自左向右顺序排列，其中第二个透镜组、第四个透镜组和第五透镜组为双胶合透镜组，待测样品通过上述的宽视场高分辨显微物镜系统消色差后清晰放大成像。
由两个镀了不同膜的平面镜组成的分光器件，其中一个是半透半反平面镜，所述的半透半反平面镜接收来自光源发出的光，一半光被反射，一办光透射进入显微物镜系统，后为待测样本提供照明。所述的半透半反镜可以使进入光学系统光强适宜，便于观察样本图像。另一个是二向色镜，用于荧光成像。所述的二向色镜对激发光波长的光有很强的反射率，而对标本发出的荧光波长区的光有很高的透过率，它对反射激发光和透射荧光起着重要的作用。这里选择通过的是波长为555nm的绿光。激发光束经过镀了二向色性膜的平面镜和上述显微物镜系统后穿过标本材料来激发荧光，诱发的荧光再经上述显微物镜系统放大和上述二向色镜后成像，这样就可以得到视野照明均匀，成像清晰的荧光图像。这两块平面镜可通过机械装置横向移动来选择用其中一块玻璃来进行实验观察。
由一块平板反射镜完成系统光路的折转；所述的平板反射镜不会带来任何的像差，保证显微物镜光学系统的清晰成像。
宽视场高分辨显微物镜的数值孔径NA为0.3，工作距离为20mm，倍率为35倍，工作波段为460-650nm，系统整体的焦距为57mm。
所述的分光器件分别为半透半反镜和二向色镜，所述的半透半反镜与光轴的夹角为45°，可接收可见光全波段，它的作用是消减了光源发出光的强度，使观察者能在适宜的强度下清晰地观察样本。所述的二向色镜与光轴的夹角同为45°，分光波长为555nm，用来促使荧光材料激发荧光，使观察者能观察到清晰的荧光图像。所述的两种分光器件可在不同的需求下进行选择，并通过机械装置进行横向移动。
所述的宽视场高分辨率显微物镜光学系统最终形成了曲形像面，有效减小了系统的像差。
本发明的目的是为兼顾成像系统宽视场和高分辨率的显微物镜成像，利用宽视场物镜实现物面宽视场，实现整个显微物镜的视场比传统光电成像系统高两个数量级，达到一亿像素的成像分辨率。
本发明全视场分辨率一致，解决了现有成像显微物镜在大视场下无法提高系统分辨率的问题，使整个显微物镜系统在大视场下成像质量达到衍射极限。
图1为本发明的宽视场高分辨显微物镜系统整体的光学系统图。
图2为本发明的宽视场高分辨显微物镜部分的光学系统图。
图3为本发明的宽视场高分辨显微物镜系统的场曲和畸变曲线图。
以下结合附图和实例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的宽视场高分辨显微物镜光学系统包括光源100、显微物镜200、分光器件300、反射镜400组成。光源100出射的光经过分光器件300和显微物镜200照亮待测样品之后，待测样品通过宽视场高分辨显微物镜200放大成像，经过分光器300分光和反射镜400反射得到曲形像面500。
宽视场高分辨显微物镜的数值孔径NA为0.3，工作距离为20mm，倍率为35倍，工作波段为460-650nm，如图2所示，显微物镜200主要由第一透镜组201、第二透镜组202、第三透镜组203、第四透镜组204、第五透镜组205、第六透镜组206、第七透镜组207、第八透镜组208、第九透镜组209、第十透镜组210组成。这些透镜组合在一起对显微物镜系统的像差进行了校正，使显微系统的性能得到了提高。所述的第二透镜组202，第四组透镜204，第五组透镜205为双胶合透镜，第二透镜组为正负型，第四透镜组和第五透镜组为负正型，有利于获得长焦距和短工作距离。 此外第三透镜组、第六透镜组、第九透镜组和第十透镜组光焦度为正，而第一透镜组、第七透镜组和第八透镜组光焦度为负。光阑位于第六透镜组的前方0.5mm处，第八组透镜用了高阿贝色散系数材料来矫正宽波段色差，这样使所述的显微物镜系统在460-650nm全波段清晰成像。
表1 给出了显微物镜200的设计结果，包括各透镜的具体参数。
表1
图3是本发明的显微物镜光学系统的场曲和畸变，从图上可以看出，整个系统的最大光学畸变＜0.4％。。
分光器件300由半透半反镜301和二向色镜302组成，两种分光器件可在不同的可见光光源和荧光光源下进行选择，并通过机械装置进行横向移动。半透半反镜301和二向色镜302与光轴的夹角都为45°，半透半反 镜301可接收460-650nm全波段，二向色镜302的分光波长为555nm。
反射镜400与光轴的夹角都为45°，使系统的光路折转90°，反射镜400不会带来任何的像差，保证显微物镜的清晰成像。
所述的曲形像面500有效地校正了系统的像差，尤其是在边缘视场中的场曲像差，其曲率半径R＝2016mm。
光源100经过柯勒系统和显微物镜200以及分光器件300后均匀照亮待测样品，被照亮的待测样品经过显微物镜200后完成宽视场高分辨率的放大成像，然后经过分光器件300中被选择的半透半反镜301或者二向色镜302分光，接着通过反射镜400反射得到曲形像面500。
本发明的显微物镜在460-650nm波段范围内具有宽视场高分辨率的特点，利用曲形像面技术使显微物镜系统具有很好的成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
- 一种显微物镜，其特征在于，所述的显微物镜具有光轴自左向右顺序排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组；所述第一透镜组光焦度为负；所述第二透镜组为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片透镜光焦度为负；所述第三透镜组光焦度为正；所述第四透镜组和五透镜组为双胶合透镜，每组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正；所述的第六透镜组光焦度为正；第七透镜组光焦度为负；第八透镜组光焦度为负；第九透镜组光焦度为正；第十透镜组光焦度为正。
- 如权利要求1所述的显微物镜，其特征在于，所述的显微物镜还包括位于孔径光阑，其位置在第六组透镜前0.5mm处。
- 一种宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，包括光源、显微成像物镜、分光镜组和反射镜组，所述的显微成像物镜、分光镜组和反射镜组在同一光轴上，用于形成曲形像面；所述的显微成像物镜具有光轴自左向右顺序排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组、第八透镜组、第九透镜组和第十透镜组，所述第一透镜组光焦度为负；所述第二透镜组为双胶合透镜，第一片透镜光焦度为正，第二片透镜光焦度为负；所述第三透镜组光焦度为正；所述第四透镜组和五透镜组为双胶合透镜，每组的第一片透镜光焦度为负，第二片透镜光焦度为正；所述的第六透镜组光焦度为正；第七透镜组光焦度为负；第八透镜组光焦度为负；第九透镜组光焦度为正；第十透镜组光焦度为正。
- 如权利要求3所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，第一透镜组至第五透镜组采用正透镜和双胶合透镜相互组合的形式，使系统主面前移获得长焦距和短工作距离，第六透镜组至第十透镜组采用若干高阿贝系数玻璃来矫正宽波段的色差。
- 如权利要求3所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，所 述的显微成像物镜放大倍数为35，数值孔径为0.3。
- 如权利要求3所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，所述的分光镜组由一面半反半透镜和一面二向色镜组成。
- 如权利要求6所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，所述的半反半透镜和二向色镜与光轴的夹角均为45°，二者可通过机械导轨装置进行移动。
- 如权利要求3所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，所述的反射镜组与光轴的夹角为45°，能使系统的光路折转90°。
- 如权利要求3所述的宽视场高分辨率成像系统，其特征在于，所述的曲形像面与反射镜组在同一光轴上，与显微成像物镜所在的光轴垂直，所述曲形像面的曲率半径为2016mm。
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