CN109633883B - 一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，包括从物面向像面依次布置的载玻片S、二向色镜D、发射滤光片E；载玻片S和二向色镜D之间的位置、二向色镜D和发射滤光片E之间的位置、发射滤光片E之后的位置中的至少一个位置上放置有透镜或镜组；所得到的荧光显微镜物镜的放大倍率10‑35倍，数值孔径0.3‑0.5，波长可见光范围480nm‑680nm，物方视场直径4mm‑10mm，物方分辨率0.4μm‑2μm。荧光显微镜物镜的MTF值在工作波段全视场范围内接近衍射极限，相对畸变在工作波段全视场范围内小于0.3％，相比于同等视场的传统物镜具有更高的成像分辨率和更小的相对畸变。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，尤其涉及一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜。
背景技术
为了检查生物对象和组织结构而采用具有大数值孔径的显微镜物镜，以分辨细微的结构。但目前已有的显微镜(传统光学显微镜、电子显微镜、共聚焦显微镜乃至近年最先进的双光子显微镜)、摄像和照相机以及活体成像设备难以实现高分辨率下的宽视场成像。为获取高分辨率下的宽视场成像，必然需要增大成像光学***的口径。但由于透镜轴外像差的影响，多镜片成像过程中边缘与中心放大率不匹配，导致宽视场边缘畸变大。现在物镜在大视场和高分辨率指标上存在内在的制约，不能同时获得优化，无法满足生命科学的研究需要，亟待改进与突破。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供了一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，包括从物面向像面依次布置的载玻片S、二向色镜D、发射滤光片E；载玻片S和二向色镜D之间的位置、二向色镜D和发射滤光片E之间的位置、发射滤光片E之后的位置中的至少一个位置上放置有透镜或镜组；所得到的荧光显微镜物镜的放大倍率10-35倍，数值孔径0.3-0.5，波长可见光范围480nm-680nm，物方视场直径4mm-10mm，物方分辨率0.4μm-2μm。
进一步的，荧光显微镜物镜包括从物面向像面依次布置的载玻片S、介质W、准直镜组G1、反远距镜组G2、二向色镜D、发射滤光片E、消色差镜组G3、类高斯镜组G4。
进一步的，所述准直镜组G1包括沿光轴方向依次布置的第一平凸透镜L1、第一凸凹透镜L2、第一凹凸透镜L3、第二平凸透镜L4。
进一步的，所述反远距镜组G2包括沿光轴方向依次布置的第一双凹透镜L5、第一双凸透镜L6、第二双凸透镜L7、第二凸凹透镜L8。
进一步的，所述消色差镜组G3包括沿光轴方向依次布置的第三双凸透镜L9、第三凸凹透镜L10。
进一步的，所述类高斯镜组包括沿光轴方向依次布置的第四凸凹透镜L11、第二双凹透镜L12、第五凸凹透镜L13、第二凹凸透镜L14、第三凹凸透镜L15，荧光显微镜物镜采用由高斯镜组变形的类高斯镜组G4来缩短物像共轭距。
进一步的，所述二向色镜入射端和发射滤光片出射端的主光线严格平行，且二向色镜入射端和发射滤光片出射端的镜组保留像差来补偿两平板产生的像差。
进一步的，荧光显微镜物镜的像面为曲面。
进一步的，荧光显微镜物镜兼顾物方远心和像方远心。
进一步的，荧光显微镜物镜初始结构采用以显微物镜结构为主兼顾光刻物镜结构特征的形式。
本发明的有益效果如下：通过计算机辅助光学设计和优化，合理选择镜组的数量和结构，各透镜均为球面面型，共轴放置，便于加工和装调，透镜材料均为普通商用玻璃，降低了光学***材料采购难度和制造成本。荧光显微镜物镜的MTF值在工作波段全视场范围内接近衍射极限，相对畸变在工作波段全视场范围内小于0.3％，相比于同等视场的传统物镜具有更高的成像分辨率和更小的相对畸变。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的荧光显微镜物镜的光学***图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明一较佳实施例的荧光显微镜物镜的调制传递函数图；
图4为本发明一较佳实施例的荧光显微镜物镜的点列图；
图5为本发明一较佳实施例的荧光显微镜物镜的场曲及畸变图；
图6为本发明另一较佳实施例的荧光显微镜物镜的光学***图；
图7为图6的局部放大图；
图8为本发明另一较佳实施例的荧光显微镜物镜的调制传递函数图；
图9为本发明另一较佳实施例的荧光显微镜物镜的点列图；
图10为本发明另一较佳实施例的荧光显微镜物镜的场曲及畸变图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1：参阅图1-图5，本实施例涉及一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，设定荧光显微镜物镜的放大倍率35倍，数值孔径0.5，波长可见光范围505nm-630nm，物方视场直径10mm,物方分辨率0.4μm。荧光显微镜物镜初始结构采用以显微物镜结构为主兼顾光刻物镜结构特征的形式；荧光显微镜物镜为水浸式物镜，实现大数值孔径，提供改进的衍射限制的空间分辨率，水浸式物镜要求第一平凸透镜L1的前表面为凸面或平面，以保证物镜浸入水中不产生气泡。
如图1-图2所示，荧光显微镜物镜包括从物面到像面依次布置的载玻片S、水W、准直镜组G1、反远距镜组G2、二向色镜D、发射滤光片E、消色差镜组G3、类高斯镜组G4。
所述准直镜组G1采用多个弯月形厚透镜和正负薄透镜分离矫正像面弯曲，包括沿光轴方向依次布置的第一平凸透镜L1、第一凸凹透镜L2、第一凹凸透镜L3、第二平凸透镜L4；所述反远距镜组G2结构基本对称，采用正负透镜组合的方法来矫正像差，包括沿光轴方向依次布置的第一双凹透镜L5、第一双凸透镜L6、第二双凸透镜L7、第二凸凹透镜L8；所述消色差镜组G3使用冕牌玻璃和火石玻璃的结合以矫正色差，包括沿光轴方向依次布置的第三双凸透镜L9、第三凸凹透镜L10；所述类高斯镜组G4采用正负镜组分离、负组在前的结构形式，包括沿光轴方向依次布置的第四凸凹透镜L11、第二双凹透镜L12、第五凸凹透镜L13、第二凹凸透镜L14、第三凹凸透镜L15，荧光显微镜物镜采用由高斯镜组变形的类高斯镜组G4来缩短物像共轭距。
二向色镜D入射端和发射滤光片E出射端的主光线严格平行，且二向色镜D入射端和发射滤光片E出射端的镜组保留像差来补偿两平板产生的像差。
考虑到能量和稳定性，在设计过程中选择高透过率的镜片材料，在保证高成像质量的同时减小镜片厚度，以确保整体***的低能量损失；***考虑到高强度激光照明，高强度激光照射及胶合面积大的情况会引起胶合镜片开裂，设计时避免了胶合镜片。
现有光电成像***设计物面和像面均为平面，但厘米级宽视场、微米级分辨率的平场光学镜头设计与加工极其困难，其宽视场边缘的场曲像差严重，最佳成像位置偏离像平面，故荧光显微镜物镜的像面为曲面，以兼顾物镜的宽视场与高分辨。此外，荧光显微镜物镜兼顾物方远心和像方远心，物像的比例关系恒定由物方远心决定，像面均匀照度由像方远心决定，使物镜具有畸变小、景深大、分辨率高、渐晕小的优点。
荧光显微镜物镜的成像质量分析参阅图3-图5。如图3所示，荧光显微镜物镜的调制传递函数MTF值在工作波段全视场范围内接近衍射极限，为后续的装调留有较大余量；如图4所示，荧光显微镜物镜的弥散斑均方根半径在工作波段全视场范围内小于16μm；如图5所示，荧光显微镜物镜的相对畸变在工作波段全视场范围内小于1.6％。
实施例2：
参阅图6-图10，本实施例涉及一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，设定荧光显微镜物镜的放大倍率10倍，数值孔径0.3，波长可见光范围505nm-630nm，物方视场直径4mm,物方分辨率2μm。
与实施例1不同，荧光显微镜物镜为干燥式物镜，且仅在载玻片S和二向色镜D之间的位置放置有透镜或镜组。如图6-图7所示，荧光显微镜物镜包括从物面到像面依次布置的载玻片S、空气A、球面透镜L16-L28、二向色镜D、发射滤光片E。
荧光显微镜物镜的成像质量分析参阅图8-图10。如图8所示，荧光显微镜物镜的调制传递函数MTF值在工作波段全视场范围内接近衍射极限，为后续的装调留有较大余量；如图4所示，荧光显微镜物镜的弥散斑均方根半径在工作波段全视场范围内小于22μm；如图5所示，荧光显微镜物镜的相对畸变在工作波段全视场范围内小于0.7％。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，包括从物面向像面依次布置的载玻片（S）、介质（W）、准直镜组（G1）、反远距镜组（G2）、二向色镜（D）、发射滤光片（E）、消色差镜组（G3）、类高斯镜组（G4）；载玻片（S）和二向色镜（D）之间的位置、二向色镜（D）和发射滤光片（E）之间的位置、发射滤光片（E）之后的位置中的至少一个位置上放置有透镜或镜组；所得到的荧光显微镜物镜的放大倍率10-35倍，数值孔径0.3-0.5，波长可见光范围480nm-680nm，物方视场直径4mm-10mm，物方分辨率
；所述反远距镜组（G2）包括沿光轴方向依次布置的第一双凹透镜（L5）、第一双凸透镜（L6）、第二双凸透镜（L7）、第二凸凹透镜（L8）；所述类高斯镜组包括沿光轴方向依次布置的第四凸凹透镜（L11）、第二双凹透镜（L12）、第五凸凹透镜（L13）、第二凹凸透镜（L14）、第三凹凸透镜（L15），荧光显微镜物镜采用由高斯镜组变形的类高斯镜组（G4）来缩短物像共轭距。
2.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，所述准直镜组（G1）包括沿光轴方向依次布置的第一平凸透镜（L1）、第一凸凹透镜（L2）、第一凹凸透镜（L3）、第二平凸透镜（L4）。
3.根据权利要求2所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，所述消色差镜组（G3）包括沿光轴方向依次布置的第三双凸透镜（L9）、第三凸凹透镜（L10）。
4.根据权利要求3所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，所述二向色镜入射端和发射滤光片出射端的主光线严格平行，且二向色镜入射端和发射滤光片出射端的镜组保留像差来补偿两平板产生的像差。
5.根据权利要求4所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，荧光显微镜物镜的像面为曲面。
6.根据权利要求5所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，荧光显微镜物镜具有物方远心和像方远心。
7.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨的荧光显微镜物镜，其特征在于，荧光显微镜物镜初始结构采用以显微物镜结构为主且具有光刻物镜结构特征的形式。
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