一种60倍显微镜物镜的制作方法

一种60倍显微镜物镜


背景技术：

1.随着近年来随着半导体行业、生物医药的高速发展，对观察样品的要求精度越来越高，通过提高显微镜的观测精度从而达到观测要求，由于要在显微镜上观察到更多细节，需要大放大倍率、大数值孔径，对于这样的物镜光学系统，轴上像差和倍率色差的补正是很难的，由于像差的影响会导致光学的分辨率性能下降。
2.现有的一些具有大放大倍率的物镜，但是却存在着小数值孔径、低分辨率性能、镜片数目多且加工困难的问题。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种60倍显微镜物镜，其具有大放大倍率、大数值孔径的特点，且镜片数目较少、加工难度低。
4.其技术方案是这样的：一种60倍显微镜物镜，其特征在于：沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组和第三镜组，第二镜组包含至少1个胶合透镜，第三镜组包含至少1个胶合透镜，满足关系式：
5.1.1<f1/f<5.0
6.|f2/f|>18
7.3.5<
‑
f3/f<15
8.0.65<na<0.95
9.其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距，na为显微镜物镜的数值孔径。
10.进一步的，所述显微镜物镜满足：
11.1.2<
‑
r1/d0<5.8
12.其中，d0为物面到第一镜组的物面侧镜面的距离,r1为第一镜组靠近物方侧镜面的曲率半径。
13.进一步的，所述第一镜组至少包含四个透镜，且第一镜组至少包含2个双凸透镜，双凸透镜满足关系式：
14.vdf>78
15.其中，vdf是第一镜组的双凸透镜满的色散系数。
16.进一步的，所述第一镜组的透镜中至少包含四个朝向像方的凸面，且第一镜组中靠近物方的透镜为凹面朝向物方的月牙透镜，且满足关系式：
17.7.5<fs/f<30
18.其中，fs：第一镜组中靠近物方的透镜的单焦距或胶合透镜的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距。
19.进一步的，所述第二镜组包含1个双凹透镜和1个双凸透镜，且满足关系式：
20.nms
‑
nps>0.13
21.vdps
‑
vdms>20
22.其中，nms为第二镜组的一个负透镜的折射率，nps为第二镜组的一个正透镜的折射率，vdms为第二镜组的一个负透镜的色散系数，vdps为第二镜组的一个正透镜的色散系数。
23.进一步的，所述第二镜组至少包含2个正单透镜，所述正单透镜靠近物方的镜面为朝向物方的凸面。
24.进一步的，所述第二镜组能够沿着光轴方向移动。
25.进一步的，所述第三镜组的靠近像方的透镜为双凹透镜，且满足1.2<r2/f<8，其中，r2为第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径。
26.进一步的，所述第三镜组包含一个正透镜和一个负透镜，且满足关系式：
27.npt
‑
nmt>0.08
28.vdmt
‑
vdpt>16
29.其中，nmt为第三镜组的一个负透镜的折射率，npt为第三镜组的一个正透镜的折射率，vdmt为第三镜组的一个负透镜的色散系数，vdpt为第三镜组的一个正透镜的色散系数。
30.进一步的，所述显微镜物镜满足关系式：
31.0.1<(hm/na
–
f)/(d1+d2)<0.5
32.其中，hm为第一镜组中的光线最大入射高度，d1为第一镜组与第二镜组之间的最小间隔，d2为第二镜组与第三镜组之间的最大间隔。
33.与现有技术相比，本发明的优点在于：做为高倍率显微镜物镜具有较大的正屈光力，使该显微镜物镜光学系统具有较大的放大倍率的同时，拥有大的数值孔径，同时，也使得物镜光学系统的场曲、畸变、像差得到改善，从而提高分辨率性能，此外，本发明的显微镜物镜光学系统的镜片数目较少，降低了加工难度。
附图说明
34.图1为具体实施例的60倍显微镜物镜的组成示意图；
35.图2为具体实施例中的60倍显微镜物镜在平板厚度为0.11时的传递函数mtf图；
36.图3为具体实施例中的60倍显微镜物镜在平板厚度为0.17mm时的传递函数mtf图；
37.图4为具体实施例中的60倍显微镜物镜在平板厚度为0.23mm时的传递函数mtf图。
具体实施方式
38.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
39.见图1，本发明的一种60倍显微镜物镜，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组、第二镜组和第三镜组，第二镜组包含至少1个胶合透镜，第三镜组包含至少1个胶合透镜，满足关系式：
40.对于第一镜组的焦距，给出的参数限制1.1<f1/f<5.0，其中f1：第一镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；可以避免第一镜组的焦距超过上限，导致第一镜组的屈光度不足，镜头结构臃肿，难以综合校正各种像差，避免第一镜组的焦距超过下限，产生过多的球
差和场曲难以校正；
41.对于第二镜组的焦距，给出的参数限制|f2/f|>18，其中f2：第二镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；以此可以较好地校正光学系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差；
42.对于第三镜组的焦距，给出的参数限制3.5<
‑
f3/f<15，其中f3：第三镜组的组合焦距，f：物镜整体的组合焦距；可以方便校正高级球差，轴向色差和场曲；
43.同时，显微镜物镜还满足0.65<na<0.95，使得本发明的显微镜物镜光学系统具有大的数值孔径，大数值孔径提高了物镜分辨率，使得显微镜成像更清楚，观察效果更好。
44.本发明通过光学系统中的第一镜组、第二镜组、第三镜组进行设置，通过对于镜组光学参数的限定，使得物镜光学系统具有很好的光学性能，使得该物镜光学系统具有大放大倍率、大数值孔径的特点。
45.此外，在本发明中，显微镜物镜满足关系式：
46.1.2<
‑
r1/d0<5.8
47.其中，d0为物面到第一镜组的物面侧镜面的距离,也就是显微镜物镜的工作距离，r1为第一镜组靠近物方侧镜面的曲率半径，本发明通过透镜组合及各透镜的设计能够实现物镜的工作距离较长，避免工作距离太短，操作性能变差、或是产生过多的球差和色差，导致镜头结构复杂，难以综合校正各种像差。
48.在本发明的实施例中，第一镜组至少包含四个透镜，且第一镜组至少包含2个双凸透镜，双凸透镜满足关系式：
49.vdf>78
50.其中，vdf是第一镜组的双凸透镜满的色散系数，以此可以方便校正球差，倍率色差和2级光谱色差。
51.在本发明的实施例中，第一镜组的透镜中至少包含四个朝向像方的凸面，且第一镜组中靠近物方的透镜为凹面朝向物方的月牙透镜，且满足关系式：
52.7.5<fs/f<30
53.其中，fs：第一镜组中靠近物方的单透镜的焦距或胶合透镜的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距，以此方便校正球差，尤其是高级球场和慧差。
54.在本发明的实施例中，第二镜组包含1个双凹透镜和1个双凸透镜，且满足关系式：
55.nms
‑
nps>0.13
56.vdps
‑
vdms>20
57.其中，nms为第二镜组的一个负透镜的折射率，nps为第二镜组的一个正透镜的折射率，vdms为第二镜组的一个负透镜的色散系数，vdps为第二镜组的一个正透镜的色散系数，以此可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。
58.在本发明的实施例中，第二镜组至少包含2个正单透镜，正单透镜靠近物方的镜面为朝向物方的凸面，可以较好地校正球差和轴向色差，尤其2级光谱色差，同时校正其它各种像差，另外，第二镜组能够沿着光轴方向移动，使得本发明的显微镜物镜带有补偿功能，在镜组沿光轴移动时可以平衡不同的平板厚度引起的附加像差，可以针对于不同厚度的平板，通过调整补偿物镜的轴向位置，可以始终保持良好的成像状态，大辐度提高了产品适用范围。
59.在本发明的实施例中，第三镜组的靠近像方的透镜为双凹透镜，且满足1.2<r2/f<8，其中，r2为第三镜组的靠近像方镜面的曲率半径，可以避免产生过多的高级球差和2级光谱难以校正。
60.第三镜组包含一个正透镜和一个负透镜，且满足关系式：
61.npt
‑
nmt>0.08
62.vdmt
‑
vdpt>16
63.其中，nmt为第三镜组的一个负透镜的折射率，npt为第三镜组的一个正透镜的折射率，vdmt为第三镜组的一个负透镜的色散系数，vdpt为第三镜组的一个正透镜的色散系数，可以较好地校正系统的球差和轴向色差，尤其2级光谱色差。
64.在本发明的实施例中，显微镜物镜满足关系式：
65.0.1<(hm/na
–
f)/(d1+d2)<0.5
66.其中，hm为第一镜组中的光线最大入射高度，d1为第一镜组与第二镜组之间的最小间隔，d2为第二镜组与第三镜组之间的最大间隔，可以有效地校正系统的球差和色差，同时在镜组沿光轴移动时有效地平衡不同的平板厚度引起的附加像差，通过对第一镜组和第三镜组的焦距及其空间配置，并因此创造的移动的第二镜组所处的像差环境，使第二镜组有效发挥其补偿功能。
67.具体在本发明的一个实施例中，显微镜物镜包括:
68.第一镜组g1，包括：第一透镜1，具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；
69.第二透镜2，具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凸面；
70.胶合的第三透镜3和第四透镜4，第三透镜3具有负的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凹面；第四透镜4具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；
71.胶合的第五透镜5和第六透镜6，第五透镜5具有负的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凹面；第六透镜6具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；
72.第二镜组g2，包括：胶合的第七透镜7、第八透镜8和第九透镜9，第七透镜7具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；第八透镜8具有负的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面；第九透镜9具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面。
73.第三镜组g3，包括：胶合的第十透镜10和第十一透镜11，第十透镜10具有正的光焦度，其物面侧为凸面，相面侧为凸面；第十一透镜11具有正的光焦度，其物面侧为凹面，相面侧为凹面。
74.在该实施例中，满足：
75.第一透镜1，折射率nd满足1.6<nd<1.8，色散系数vd满足50<vd<70；
76.第二透镜2，折射率nd满足1.6<nd<1.8，色散系数vd满足40<vd<60；
77.第三透镜3，折射率nd满足1.4<nd<1.6，色散系数vd满足40<vd<60；
78.第四透镜4，折射率nd满足1.4<nd<1.6，色散系数vd满足90<vd<100；
79.第五透镜5，折射率nd满足1.7<nd<1.9，色散系数vd满足30<vd<50；
80.第六透镜6，折射率nd满足1.4<nd<1.5，色散系数vd满足90<vd<100；
81.第七透镜7，折射率nd满足1.4<nd<1.6，色散系数vd满足90<vd<100；
82.第八透镜8，折射率nd满足1.6<nd<1.8，色散系数vd满足40<vd<60；
83.第九透镜9，折射率nd满足1.5<nd<1.7，色散系数vd满足50<vd<70；
84.第十透镜10，折射率nd满足1.7<nd<1.8，色散系数vd满足20<vd<30。
85.第十一透镜11，折射率nd满足1.5<nd<1.7，色散系vd数满足50<vd<60。
86.在本发明的一个实施例给出的显微镜物镜中，物镜焦距f＝3.33mm，物方数值孔径na＝0.85，为无限远的60倍物镜，元件的光学参数如表1所示。
[0087][0088]
表1
[0089]
在该实施例中，其特征参数如表2所示。
[0090]
(1)f1/f2.28(2)|f2/f|204.32(3)
‑
r1/d02.79(4)fs/f15.08(5)
‑
f3/f7.00(6)r2/f2.65(7)(hm/na
‑
f)/(d1+d2)0.25(8)na0.85
[0091]
表2
[0092]
对上述实施例中的显微镜物镜进行光学理论模拟，分别测试平板厚度时的镜头的性能；当平板厚度分别为0.11mm，0.17mm，0.23mm时，工作数值如表3所示，其中间隔(10)表
示表面s10和表面s11之间的距离，间隔(14)表示表面s14和表面s15之间的距离。
[0093]
平板厚度0.110.170.23工作距离d00.890.8510.81间隔(10)1.501.842.19间隔(14)22.0521.7121.37
[0094]
表3
[0095]
通过表3可知，本实施例的显微镜物镜具有补偿功能，第二镜组沿光轴移动时可以平衡不同的平板厚度引起的附加像差，可以针对于不同厚度的平板，通过调整补偿物镜的轴向位置，可以始终保持良好的成像状态，大辐度提高了产品适用范围。
[0096]
对上述实施例中的显微镜物镜进行光学理论模拟，图2为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.11mm时的传递函数mtf图，图3为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.17mm时的传递函数mtf图，图4为具体实施例中的显微镜物镜在平板厚度为0.23mm时的传递函数mtf图。
[0097]
在图2，3，4光学系统的传递函数mtf图中，横轴为分辨率，单位是线对/毫米(lp/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数mtf(modulation transfer function)，是对镜头分辨率的一个定量描述。我们用调制度(modulation)表示反差的大小。设最大亮度为imax，最小亮度为imin，调制度m定义为：m＝(imax－imin)/(imax+imin)。调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。
[0098]
对于原来调制度为m的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为mˊ，则mtf函数值为：mtf值＝mˊ/m。
[0099]
可以看出，mtf值必定介于0和1之间，并且越接近1、镜头的性能越好。如果镜头的mtf值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于mtf值。所以，mtf函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。
[0100]
mtf曲线可以看出，具有代表性的0视场，0.5视场和最大视场的mtf值已经非常接近衍射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。
[0101]
可以看出，本发明可以在很宽的可见光光谱范围内，绝大部分视场上接近物理光学的衍射极限。
[0102]
由于生命科学、工业领域对于观察分辨能力要求的提升，显微镜物镜的趋势是数值孔径更大。本发明的显微镜透镜为提高显微镜物镜的性能，设置了大放大倍率、大数值孔径。实现高倍放大倍率、大数值孔径的同时，也保证显微镜物镜光学系统具有较好的可加工性能，其镜片数量较少，降低了加工难度；本发明的显微镜透镜通过移动第二镜组，改变工作距离，观察不同厚度和折射率介质覆盖下的样本，使显微镜物镜的应用更加广泛。本发明的高倍放大倍率、大数值孔径的显微镜物镜投入生产具有重要作用。
[0103]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。