CN104280867B - 一种显微镜物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显微镜物镜，属于光学领域。其包括同光轴的八片球面透镜，八片球面透镜从物方至像方依次排列，从物方至像方的八片球面透镜分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，所述的第一透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面；所述的第二透镜面向物方为凸面，面向像方为凹面；所述的第三透镜面向物方为凹面，面向像方为凹面；所述的第四透镜和第五透镜为胶合透镜组；所述的第六透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面；所述的第七透镜和第八透镜为胶合透镜组；第八透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面。本发明具有视场大、分辨率高、体积小、加工工艺易操作、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，更具体地说，涉及一种显微镜物镜。
背景技术
显微镜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广泛应用，特别在医疗和科研等中具有不可替代的作用。
显微镜物镜的视场的大小会影响观察范围，视场越大，可观察到的范围就越大，这样能更好和完整的观察目标；目前世界上已有各类显微镜物镜，但是目前技术上能达到的视场一般保持在20mm左右，而最大的视场也只有25mm，且都只适用于目视观察方面；随着科技的发展，目前很多领域已开始应用CCD图像自动采集方面的技术，因此需要更大的显微镜物镜的视场，而常规的显微镜物镜的视场将无法满足需求。
中国专利号：200810087210.3，申请日：2008年03月24日，公开了一份名称为一种显微镜物镜的专利，其由至少四个透镜或透镜组(L1，L2A，L2B，L3，L4A，L4B，G1，G2)组成并能够优选地被用于改进图像对比度。根据该发明，从物体侧观察，可将与光轴同心对准的相板集成到第一透镜和第二透镜(L2A或L2B)之间的空气空间中以及从该空气空间中取出。所限定地布置相板和相关联地将实际光瞳偏移到显微镜物镜的前两个透镜(L1和L2A、L2B)或透镜组之间的空气空间中允许最初被设计为亮视场变型的显微镜物镜被重新设计为相对简单的相衬变型，但是其视场仍然较小，而且制造成本高。
中国专利号：200780016306.4，申请日：2007年04月26日，公开了一份名称为一种显微镜物镜的专利文件，其具有优选反对称的透镜或透镜组，成像比例为-100倍，视场值为20。根据该发明，该显微镜物镜由9个透镜和3个粘合元件构成，从对象一侧(左侧)开始是由具有正光焦度的近似一个半球镜L1形成的透镜、具有正光焦度的凹凸透镜L2、具有正光焦度的两重粘合元件G1、具有正光焦度的另一个两重粘合元件G2、具有负光焦度的两重粘合元件G3，最后是具有负光焦度的凹凸透镜L9。通过采用结构相同的粘合元件和透镜对，可以在改善图像对比度。但是其存在生产成本高，加工困难。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有显微镜物镜的视场小，而常规的显微镜物镜的视场将无法满足需求而且成本高的问题，本发明提供一种显微镜物镜，其具有视场大、分辨率高、体积小、加工工艺易操作、成本低的优势。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种显微镜物镜，包括同光轴的八片球面透镜，八片球面透镜从物方至像方依次排列，从物方至像方的八片球面透镜分别为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，所述的第一透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面；所述的第一透镜面向物方的凸面为第一镜面，第一透镜面向像方的凸面为第二镜面；所述的第二透镜面向物方为凸面，面向像方为凹面；所述的第二透镜的凸面为第三镜面，第二透镜的凹面为第四镜面；所述的第三透镜面向物方为凹面，面向像方为凹面；所述的第三透镜面向物方的凹面为第五镜面，第三透镜面向像方的凹面为第六镜面；所述的第四透镜和第五透镜为胶合透镜组，其中第四透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面；第五透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面，第四透镜面向像方的凸面与第五透镜面向物方的凹面胶合在一起；所述的第四透镜面向物方的凸面为第七镜面，第四透镜和第五透镜的胶合面为第八镜面，第五透镜面向像方的凸面为第九镜面；所述的第六透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面；所述的第六透镜的凹面为第十镜面，第六透镜的凸面为第十一镜面；所述的第七透镜和第八透镜为胶合透镜组，其中第七透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面；第八透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面，第七透镜面向像方的凸面与第八透镜面向物方的凹面胶合在一起；所述的第七透镜面向物方的凹面为第十二镜面，第七透镜和第八透镜的胶合面为第十三镜面，第八透镜面向像方的凸面为第十四镜面；十四个镜面的结构参数为：
第一镜面为R1＝34.525～35.012mm、D1＝9.810～10.125mm、ψ1＝12.985～13.201mm；
第二镜面为R2＝－61.573～－60.890mm、D2＝0.981～1.105mm、ψ2＝12.316～12.612mm；
第三镜面为R3＝15.975～16.203mm、D3＝7.890～8.135mm、ψ3＝10.503～10.715mm；
第四镜面为R4＝19.125～19.407mm、D4＝12.955～13.070mm、ψ4＝7.915～8.110mm；
第五镜面为R5＝－21.376～－20.965mm、D5＝3.210～3.550mm、ψ5＝3.025～3.211mm；
第六镜面为R6＝10.502～10.717mm、D6＝2.955～3.115mm、ψ6＝2.377～2.603mm；
第七镜面为R7＝14.870～15.212mm、D7＝3.095～3.312mm、ψ7＝2.405～2.717mm；
第八镜面为R8＝－6.510～－6.102mm、D8＝3.315～3.605mm、ψ8＝3.052～3.175mm；
第九镜面为R9＝－140.125～－139.671mm、D9＝4.985～5.215mm、ψ9＝4.398～4.490mm；
第十镜面为R10＝－191.211～－190.817mm、D10＝5.370～5.625mm、ψ10＝7.265～7.339mm；
第十一镜面为R11＝－12.556～－12.121mm、D11＝0.195～0.315mm、ψ11＝8.135～8.303mm；
第十二镜面为R12＝－65.027～－64.738mm、D12＝7.890～8.135mm、ψ12＝8.533～8.812mm；
第十三镜面为R13＝－11.807～－11.439mm、D13＝3.315～3.605mm、ψ13＝9.110～9.371mm；
第十四镜面为R14＝－23.256～－23.015mm、D14＝199.205～201.125mm、ψ14＝10.723～11.005mm。
其中R1为第一镜面的曲率半径；D1为第一镜面的镜面距离；ψ1为第一镜面的有效通光孔径，R2-R14、D2-D14以及ψ2-ψ14的含义依次类推。
优选地，其中第一透镜的焦距为44.13mm，第二透镜的焦距为110.95mm，第三透镜的焦距为-9.03mm，第四透镜与第五透镜L5的胶合镜焦距为-1102.02mm，第六透镜的焦距为26.59mm，第七透镜与第八透镜的胶合镜焦距为204.25mm。
优选地，所述的第一透镜的折射率/阿贝系数为1.51680/64.23，第二透镜的折射率/阿贝系数为1.48746/70.04，第三透镜的折射率/阿贝系数1.74693/50.95，第四透镜的折射率/阿贝系数为1.48746/70.04，第五透镜的折射率/阿贝系数为1.74693/50.95，第六透镜的折射率/阿贝系数为1.48746/70.04，第七透镜的折射率/阿贝系数为1.48746/70.04，第八透镜的折射率/阿贝系数为1.74693/50.95。
优选地，其最大视场为50mm。
本发明的显微镜物镜，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，且在本发明给出的十四个镜面的结构参数下，可以实现增大显微镜物镜的视场，显微镜物镜的视场能达到50mm，完全达到大幅度增大显微镜物镜视场的效果。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的显微镜物镜，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；
(2)本发明给出的十四个镜面的结构参数下，可以实现增大显微镜物镜的视场，显微镜物镜的视场能达到50mm，完全达到大幅度增大显微镜物镜视场的效果；
(3)本发明结构简单，设计合理，易于制造。
附图说明
图1是本发明的显微镜物镜的结构示意图；
图2是ZEMAX软件模拟出本发明的实施例1参数下，显微镜物镜的视场的参数表；
图3、图4、图5和图6是ZEMAX软件模拟出在图2视场设定条件下，显微镜物镜成像质量效果图；其中图3为光程差，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为单色光的基于衍射的能量集中度，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，其横坐标为空间频率，纵坐标为传递函数值、图6为波相差，其为实际波面与参考球面之间的光程差。
图中：L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、第四透镜；L5、第五透镜；L6、第六透镜；L7、第七透镜；L8、第八透镜。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种显微镜物镜，包括同光轴的八片球面透镜，八片球面透镜从物方至像方依次排列，从物方至像方的八片球面透镜分别为：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8，第一透镜L1面向物方为凸面，面向像方为凸面；第一透镜L1面向物方的凸面为第一镜面，第一透镜L1面向像方的凸面为第二镜面；第二透镜L2面向物方为凸面，面向像方为凹面；第二透镜L2的凸面为第三镜面，第二透镜L2的凹面为第四镜面；第三透镜L3面向物方为凹面，面向像方为凹面；第三透镜L3面向物方的凹面为第五镜面，第三透镜L3面向像方的凹面为第六镜面；第四透镜L4和第五透镜L5为胶合透镜组，其中第四透镜L4面向物方为凸面，面向像方为凸面；第五透镜L5面向物方为凹面，面向像方为凸面，第四透镜L4面向像方的凸面与第五透镜L5面向物方的凹面胶合在一起；第四透镜L4面向物方的凸面为第七镜面，第四透镜L4和第五透镜L5的胶合面为第八镜面，第五透镜L5面向像方的凸面为第九镜面；第六透镜L6面向物方为凹面，面向像方为凸面；第六透镜L6的凹面为第十镜面，第六透镜L6的凸面为第十一镜面；第七透镜L7和第八透镜L8为胶合透镜组，其中第七透镜L7面向物方为凹面，面向像方为凸面；第八透镜L8面向物方为凹面，面向像方为凸面，第七透镜L7面向像方的凸面与第八透镜L8面向物方的凹面胶合在一起；第七透镜L7面向物方的凹面为第十二镜面，第七透镜L7和第八透镜L8的胶合面为第十三镜面，第八透镜L8面向像方的凸面为第十四镜面；十四个镜面的结构参数如下表所示：
表1实施例1十四个镜面的结构参数
其中第一透镜L1的焦距为44.13mm，第二透镜L2的焦距为110.95mm，第三透镜L3的焦距为-9.03mm，第四透镜L4与第五透镜L5的胶合镜焦距为-1102.02mm，第六透镜L6的焦距为26.59mm，第七透镜L7与第八透镜L8的胶合镜焦距为204.25mm。
通过ZEMAX软件模拟出以上参数的实验结果，如图2、图3、图4、图5和图6所示，图2是显微镜物镜的视场的参数表。由图2的参数可以看出，其显微镜物镜的视场为50mm。完全达到大幅提高显微镜物镜的视场。其实验结果同样达到显微镜物镜的视场为50mm，完全达到大幅增大显微镜物镜的视场。图3光程差所展示的是在大视场下，色散的情况；图4单色光的基于衍射的能量集中度所展示的是在大视场下，体现出比较好的能量集中度；图5多色光光学传递函数所展示的是在大视场下，可以看出其衬度非常好；图6波相差所展示的是在大视场下，波相差与理论值接近完美。仔细分析图中的结果，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±10.000波长；由上至下，由左至右看图，第一幅图像表示视场点为0.00mm，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0.436、0.480、0.644、0.546的曲线，第二幅图像表示视场点为12.50mm，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0.436、0.480、0.644、0.546的曲线，第三幅图像表示视场点为17.68mm，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0.436、0.480、0.644、0.546的曲线，第四幅图像表示视场点为21.65mm，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0.436、0.480、0.644、0.546的曲线，第五幅图像表示视场点为25.00mm，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0.436、0.480、0.644、0.546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。
从图4中可以看出，作一基准线，各曲线与基准线相交由下至上，其每条曲线分别表示视场点为25.00mm、21.65mm、00.00mm、12.50mm、17.68mm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，从图像可以体现出整个视场较好的能力集中度。从图5中可以看出，图像中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25.00mm的子午分量的传递函数，第二条曲线表示视场点为21.65mm的子午分量的传递函数，第三条曲线表示视场点为12.50mm的子午分量的传递函数，第四条曲线表示视场点为17.68mm的子午分量的传递函数，第五条曲线表示视场点为25.00mm的弧矢分量的传递函数，第六条曲线表示视场点为21.65mm的弧矢分量的传递函数，第七条曲线表示视场点为0.00mm的子午分量的传递函数和弧矢分量的传递函数，第八条曲线表示视场点为17.68mm的弧矢分量的传递函数，第九条曲线表示视场点为12.50mm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，由图像可以看出整个视场其衬度非常好。
实施例2
同实施例1，所不同的是十四个镜面的结构参数，具体见下表：
表2实施例2十四个镜面的结构参数
其实验结果同样达到显微镜物镜的视场为50mm，完全达到大幅增大显微镜物镜的视场的效果。
实施例3
同实施例1，所不同的是十四个镜面的结构参数，具体见下表：
表3实施例3十四个镜面的结构参数
其实验结果同样达到显微镜物镜的视场为50mm，完全达到大幅增大显微镜物镜的视场的效果。
上文所述的R1～R14为第一镜面到第十四镜面的曲率半径，D1～D14为第一镜面到第十四镜面的镜面距离，ψ1～ψ14为第一镜面到第十四镜面的有效通光孔径。
Claims (4)
1.一种显微镜物镜，包括同光轴的八片球面透镜，八片球面透镜从物方至像方依次排列，从物方至像方的八片球面透镜分别为：第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第八透镜(L8)，其特征在于：所述的第一透镜(L1)面向物方为凸面，面向像方为凸面；所述的第一透镜(L1)面向物方的凸面为第一镜面，第一透镜(L1)面向像方的凸面为第二镜面；所述的第二透镜(L2)面向物方为凸面，面向像方为凹面；所述的第二透镜(L2)的凸面为第三镜面，第二透镜(L2)的凹面为第四镜面；所述的第三透镜(L3)面向物方为凹面，面向像方为凹面；所述的第三透镜(L3)面向物方的凹面为第五镜面，第三透镜(L3)面向像方的凹面为第六镜面；所述的第四透镜(L4)和第五透镜(L5)为胶合透镜组，其中第四透镜(L4)面向物方为凸面，面向像方为凸面；第五透镜(L5)面向物方为凹面，面向像方为凸面，第四透镜(L4)面向像方的凸面与第五透镜(L5)面向物方的凹面胶合在一起；所述的第四透镜(L4)面向物方的凸面为第七镜面，第四透镜(L4)和第五透镜(L5)的胶合面为第八镜面，第五透镜(L5)面向像方的凸面为第九镜面；所述的第六透镜(L6)面向物方为凹面，面向像方为凸面；所述的第六透镜(L6)的凹面为第十镜面，第六透镜(L6)的凸面为第十一镜面；所述的第七透镜(L7)和第八透镜(L8)为胶合透镜组，其中第七透镜(L7)面向物方为凹面，面向像方为凸面；第八透镜(L8)面向物方为凹面，面向像方为凸面，第七透镜(L7)面向像方的凸面与第八透镜(L8)面向物方的凹面胶合在一起；所述的第七透镜(L7)面向物方的凹面为第十二镜面，第七透镜(L7)和第八透镜(L8)的胶合面为第十三镜面，第八透镜(L8)面向像方的凸面为第十四镜面；
第一镜面为R1＝34.525～35.012mm、D1＝9.810～10.125mm、ψ1＝12.985～13.201mm；
第二镜面为R2＝－61.573～－60.890mm、D2＝0.981～1.105mm、ψ2＝12.316～12.612mm；
第三镜面为R3＝15.975～16.203mm、D3＝7.890～8.135mm、ψ3＝10.503～10.715mm；
第四镜面为R4＝19.125～19.407mm、D4＝12.955～13.070mm、ψ4＝7.915～8.110mm；
第五镜面为R5＝－21.376～－20.965mm、D5＝3.210～3.550mm、ψ5＝3.025～3.211mm；
第六镜面为R6＝10.502～10.717mm、D6＝2.955～3.115mm、ψ6＝2.377～2.603mm；
第七镜面为R7＝14.870～15.212mm、D7＝3.095～3.312mm、ψ7＝2.405～2.717mm；
第八镜面为R8＝－6.510～－6.102mm、D8＝3.315～3.605mm、ψ8＝3.052～3.175mm；
第九镜面为R9＝－140.125～－139.671mm、D9＝4.985～5.215mm、ψ9＝4.398～4.490mm；
第十镜面为R10＝－191.211～－190.817mm、D10＝5.370～5.625mm、ψ10＝7.265～7.339mm；
第十一镜面为R11＝－12.556～－12.121mm、D11＝0.195～0.315mm、ψ11＝8.135～8.303mm；
第十二镜面为R12＝－65.027～－64.738mm、D12＝7.890～8.135mm、ψ12＝8.533～8.812mm；
第十三镜面为R13＝－11.807～－11.439mm、D13＝3.315～3.605mm、ψ13＝9.110～9.371mm；
第十四镜面为R14＝－23.256～－23.015mm、D14＝199.205～201.125mm、ψ14＝10.723～11.005mm；
其中：其中R1为第一镜面的曲率半径；D1为第一镜面到第二镜面的距离；ψ1为第一镜面的有效通光孔径；R2为第二镜面的曲率半径；D2为第二镜面到第三镜面的距离；ψ2为第二镜面的有效通光孔径；R3为第三镜面的曲率半径；D3为第三镜面到第四镜面的距离；ψ3为第三镜面的有效通光孔径；R4为第四镜面的曲率半径；D4为第四镜面到第五镜面的距离；ψ4为第四镜面的有效通光孔径；R5为第五镜面的曲率半径；D5为第五镜面到第六镜面的距离；ψ5为第五镜面的有效通光孔径；R6为第一镜面的曲率半径；D6为第六镜面到第七镜面的距离；ψ6为第六镜面的有效通光孔径；R7为第七镜面的曲率半径；D7为第七镜面到第八镜面的距离；ψ7为第七镜面的有效通光孔径；R8为第一镜面的曲率半径；D8为第八镜面到第九镜面的距离；ψ8为第八镜面的有效通光孔径；R9为第九镜面的曲率半径；D9为第九镜面到第十镜面的距离；ψ9为第九镜面的有效通光孔径；R10为第十镜面的曲率半径；D10为第十镜面到第十一镜面的距离；ψ10为第十镜面的有效通光孔径；R11为第十一镜面的曲率半径；D11为第十一镜面到第十二镜面的距离；ψ11为第十一镜面的有效通光孔径；R12为第十二镜面的曲率半径；D12为第十二镜面到第十三镜面的距离；ψ13为第13镜面的有效通光孔径；R14为第十四镜面的曲率半径；D14为第十四镜面到像的距离；ψ14为第十四镜面的有效通光孔径。
2.根据权利要求1所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述的第一透镜(L1)的焦距44.13mm，第二透镜(L2)的焦距为110.95mm，第三透镜(L3)的焦距为-9.03mm，第四透镜(L4)与第五透镜(L5)的胶合镜焦距为-1102.02mm，第六透镜(L6)的焦距为26.59mm，第七透镜(L7)与第八透镜(L8)的胶合镜焦距为204.25mm。
3.根据权利要求2所述的一种显微镜物镜，其特征在于：所述的物镜第一透(L1)镜的折射率为1.51680，阿贝系数为64.23；第二透镜(L2)的折射率为1.48746，阿贝系数为70.04；第三透镜(L3)的折射率为1.74693，阿贝系数为50.95；第四透镜(L4)的折射率为1.48746，阿贝系数为70.04；第五透镜(L5)的折射率为1.74693，阿贝系数为50.95；第六透镜(L6)的折射率为1.48746，阿贝系数为70.04；第七透镜(L7)的折射率为1.48746，阿贝系数为70.04；第八透镜(L8)的折射率为1.74693，阿贝系数为50.95。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的显微镜物镜，其特征在于：所述的显微镜物镜最大视场为50mm。
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