大视场大数值孔径及长工作距的远心双光子显微物镜镜头

技术领域

本发明属于新型双光子显微镜设计领域，更具体地，涉及一种大视场大数值孔径及长工作距的远心双光子显微物镜镜头。

背景技术

近年来，随着医疗技术的发展，对于显微设备的需求也向更清晰、视场更广、分辨率更高的方向发展。如何构造视场更大、数值孔径更大的显微物镜已经成为了研究的重点方向。

双光子显微镜是一项结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的新技术，在高光子密度的情况下，荧光分子同时吸收两个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子，其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。双光子显微镜具有穿透力强、对样本的光漂白和光毒性小、光亮度和信噪比高等优点。但是现有的显微物镜以及双光子显微镜的像面直径不超过5毫米，满足数值孔径条件的物镜其后工作距难以达到10毫米，少数满足大视场与长工作距的物镜则无法达到要求的数值孔径，导致分辨率不足。如日本尼康公司所生产的远场显微物镜MUE12100型号，其工作距为17.5毫米，数值孔径仅为0.3；而具有长工作距的MUE12050型号，其数值孔径为0.15，无法达到较高分辨率。再如德国蔡司公司的Objective C Epiplan-Apochromat 5x/0.2DIC M27型号物镜，其工作距为21.1毫米，数值孔径为0.3；Objective CEpiplan-Apochromat 10x/0.4DIC M27型号物镜，其工作距仅为5.4毫米，数值孔径为0.4。也即，现有的生物活细胞双光子显微镜不能同时实现大视场、大数值孔径及较长的后工作距离。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种大视场大数值孔径及长工作距的远心双光子显微物镜镜头，其目的在于同时实现大视场、大数值孔径及较长的后工作距离。

为实现上述目的，本发明提供了一种大视场大数值孔径及长工作距的远心双光子显微物镜镜头，沿同一光轴依次包括：光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；

所述第一透镜组包括具有负光焦度的双分离透镜组，用于矫正入射至所述光阑的双色平行光的场曲和慧差；

所述第二透镜组包括具有正光焦度的双胶合透镜组，用于对所述第一透镜组出射的光束扩束后再合束，进而矫正光束的色差；

所述第三透镜组包括具有正光焦度的单透镜组，用于分担合束光线的光焦度，并保证光束的远心性。

进一步地，所述第一透镜组包括沿光轴依次设置的第一凹形透镜、第一双凸形透镜、第一弯月形透镜及第二凹形透镜；

所述第一凹形透镜和所述第一双凸形透镜形成双分离透镜组；

所述第一弯月形透镜和所述第二凹形透镜形成双分离透镜组。

进一步地，第一凹形透镜、第一双凸形透镜、第一弯月形透镜及第二凹形透镜的焦距分别满足：

-100mm≤f

200mm≤f

其中，f

进一步地，光阑、第一凹形透镜、第一双凸形透镜、第一弯月形透镜及第二凹形透镜之间的距离满足：

8mm≤d

其中，d

进一步地，所述第二透镜组包括沿光轴依次设置的第一双胶合透镜、单透镜组和第二双胶合透镜；

所述第一双胶合透镜用于对所述第一透镜组出射的光束进行扩束，以校正光束的色差；

所述单透镜组用于将扩束的光线进行合束；

所述第二双胶合透镜用于再次矫正合束的光线的色差。

进一步地，所述第一双胶合透镜包括沿光轴的第一双凹形透镜和第二双凸形透镜；

所述单透镜组包括沿光轴的第三双凸形透镜和第二弯月形透镜；

所述第二双胶合透镜包括沿光轴的第四双凸形透镜和第二双凹形透镜。

进一步地，第一双凹形透镜、第二双凸形透镜、第三双凸形透镜、第二弯月形透镜、第四双凸形透镜和第二双凹形透镜的焦距分别满足：

-180mm≤f

220mm≤f

其中，f

进一步地，第一透镜组、第一双凹形透镜、第二双凸形透镜、第三双凸形透镜、第二弯月形透镜、第四双凸形透镜和第二双凹形透镜的之间的距离满足：

4mm≤d

其中，d

进一步地，所述第三透镜组包括沿光轴依次设置的第三弯月形透镜、第四弯月形透镜及第五弯月形透镜。

进一步地，第三弯月形透镜、第四弯月形透镜及第五弯月形透镜的焦距分别满足：

100mm≤f

其中，f

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的显微物镜镜头，通过设计的第一透镜组包括具有负光焦度的双分离透镜组结构给入射至光阑的双色平行光束调控提供了极大的自由度，承担了大部分场曲和慧差的矫正压力，使得大视场平场的功能得以实现；第二透镜组包括具有正光焦度的的双胶合结构，对经过视场的光线扩束后再合束，承担了色差的矫正；第三透镜组包括具有正光焦度的单透镜组分担光线合束的光焦度，使得光线聚焦经过的路径更长，留出了较长的后工作距；三个透镜组光焦度的相互配合使得物镜整体的焦距与光阑的口径一致，保证了高数值孔径，经过仿真实验，设本发明的显微物镜焦距为f，数值孔径为NA，入瞳直径为D，后工作距为BFL，则本发明的显微物镜镜头能够实现：40mm≤D≤50mm，0.4≤NA≤0.6，40mm≤f≤50mm，10mm≤BFL≤15mm，即同时具有大视场、大数值孔径和长的工作距离。

(2)作为优选，第一透镜组包括两个双分离透镜组，能够较好的矫正视场内光线的场曲和慧差，保证大视场平场的实现。

(3)作为优选，第二透镜组包括第一双胶合透镜、单透镜组和第二双胶合透镜，对经过的两束进行多次色差矫正，保证光束较高的质量。

(4)作为优选，本发明设计的显微物镜镜头最多包括13片球面透镜，具有极大的可加工性以及较低的加工成本，更有利于工程化。

(5)本发明同时具有双光子显微镜的优点，并且将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度最高，双光子激发只发生在物镜的焦点上，不需要共聚焦针孔，提高了荧光检测效率，工作波段较窄，使用近红外的波长，相比可见光波段，更容易节省透镜数量。

总而言之，本发明设计的显微物镜镜头是一种无穷远共轭并具有大视场、大数值孔径长工作距的远心双光子显微物镜光学系统，具有分辨率高、全视场平场、成像质量高、后工作距长等优点，可应用于生物鼠脑细胞检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜结构示意图。

图2为本发明实施例提供的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜的传递函数图。

图3为本发明实施例提供的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜的场曲图。

图4为本发明实施例提供的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜的点列图。

图5为本发明实施例提供的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜的能量包围圆图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-光阑，2-第一凹形透镜，3-第一双凸形透镜，4-第一弯月形透镜，5-第二凹形透镜，6-第一双凹形透镜，7-第二双凸形透镜，8-第三双凸形透镜，9-第二弯月形透镜，10-第四双凸形透镜，11-第二双凹形透镜，12-第三弯月形透镜，13-第四弯月形透镜，14-第五弯月形透镜，15-像面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，本发明的大视场大数值孔径及长工作距的远心双光子显微物镜镜头，包括沿同一光轴的光阑1，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；

第一透镜组包括具有负光焦度的双分离透镜组，用于矫正入射至光阑1的双色平行光的场曲和慧差；

第二透镜组包括具有正光焦度的双胶合透镜组，用于对经过第一透镜组的光束扩束后再合束，进而矫正光束的色差；

第三透镜组包括具有正光焦度的单透镜组，用于分担合束光线的光焦度，并保证光束的远心性。

具体地，本发明实施例中，第一透镜组包括沿光轴依次设置的第一凹形透镜2、第一双凸形透镜3、第一弯月形透镜4及第二凹形透镜5。第一凹形透镜2和第一双凸形透镜3形成双分离透镜组，第一弯月形透镜4和第二凹形透镜5形成第二个双分离透镜组。两个双分离透镜组结构给入射至光阑1的双色平行光提供了极大的自由度，承担了大部分场曲和慧差的矫正压力，使得大视场平场的功能得以实现。

具体地，本发明实施例中，第二透镜组包括沿光轴依次设置的第一双胶合透镜、单透镜组和第二双胶合透镜；其中，第一双胶合透镜包括沿光轴的第一双凹形透镜6和第二双凸形透镜7，用于对经过第一透镜组的光束进行扩束并矫正经过的光线的色差；单透镜组包括沿光轴的第三双凸形透镜8和第二弯月形透镜9，用于将扩束的光线进行合束；第二双胶合透镜包括沿光轴的第四双凸形透镜10和第二双凹形透镜11，用于再次矫正经过的光线的色差。

具体地，本发明实施例中，第三组透镜组包括沿光轴依次设置的第三弯月形透镜12、第四弯月形透镜13及第五弯月形透镜14，用三片单透镜来分担光线合束的光焦度，使得光线聚焦经过的路径更长，留出了较长的后工作距。

通过上述第一组透镜组、第二组透镜组及第三组透镜组的光焦度的相互配合，使得本发明设计的物镜整体的焦距与光阑的口径大致相同，保证了高数值孔径。设本发明的显微物镜焦距为f，数值孔径为NA，入瞳直径为D，后工作距为BFL，则最终能够实现：40mm≤D≤50mm，0.4≤NA≤0.6，40mm≤f≤50mm，10mm≤BFL≤15mm，像面宽度为10毫米。本发明能够同时实现大视场、大数值孔径以及较长的后工作距离。

入射的双色平行光经过光阑1后，平行光束充满整个显微物镜入瞳，依次经过第一组透镜组、第二组透镜组及第三组透镜组后，入射至像面15。其中，第一弯月形透镜4的弯曲朝向光阑1，第二至第五弯月形透镜弯曲均背向光阑。

使用时，生物细胞经过所设计显微物镜从第五弯月形透镜14入射至光阑1，通过后续的Tube Lens组合形成具有一定放大率的显微设备。设计时入射的双色平行光聚焦于像面15，即使用时的物面。

作为本发明的进一步设计，具体设计了每个透镜之间的距离、焦距、厚度、曲率半径及折射率。

具体地，分别记光阑1与第一凹形透镜2距离为d

8mm≤d

0≤d

4mm≤d

1mm≤d

分别记第一凹形透镜2焦距为f

-100mm≤f

-130mm≤f

190mm≤f

-90mm≤f

50mm≤f

相较于使用了复杂曲面的显微物镜，本发明的透镜均为球面透镜，具有更高的可实现性，更有利于工程化。

各个镜片的曲率半径Radius(mm)、厚度Thickness(mm)及折射率RefractiveIndex分别为：

-51≤r20≤-49，3.5≤d20≤4.5，

-475≤r21≤-473，1.5≤d21≤2.5，1.4≤R2≤1.6；

289≤r30≤291，12.5≤d30≤13.5，

-138≤r31≤-136，1.5≤d31≤2.5，1.8≤R3≤2.0；

-148≤r40≤-146，13.5≤d40≤14.5，

-79≤r41≤-77，1.5≤d41≤2.5，1.6≤R4≤1.8；

-79≤r50≤-77，10.5≤d50≤11.5，

-300≤r51≤-298，5.5≤d51≤6.5，1.8≤R5≤2.0；

-153≤r60≤-151，8.5≤d60≤9.5，

349≤r61≤351，13.5≤d61≤14.5，1.8≤R6≤2.0；

349≤r70≤351，13.5≤d70≤14.5，

-112≤r71≤-110，0≤d71≤0.7，1.8≤R7≤2.0；

136≤r80≤138，13.5≤d80≤14.5，

-1074≤r81≤-1072，7.5≤d81≤8.5，1.5≤R8≤1.7；

-93≤r90≤-91，12.5≤d90≤13.5，

257≤r91≤259，7.5≤d91≤8.5，1.5≤R9≤1.7；

76≤r100≤78，11.5≤d100≤12.5，

-187≤r101≤-185，6.5≤d101≤7.5，1.5≤R10≤1.7；

-187≤r110≤-185，6.5≤d110≤7.5，

85≤r111≤87，2.5≤d111≤3.5，1.8≤R11≤2.0；

37≤r120≤39，11.5≤d120≤12.5，

78≤r121≤80，0.5≤d121≤1.5，1.5≤R12≤1.7；

37≤r130≤39，11.5≤d130≤12.5，

18≤r131≤20，1.5≤d131≤2.5，1.8≤R13≤2.0；

23≤r140≤25，12.5≤d140≤13.5，

35≤r141≤37，9.5≤d141≤10.5，1.8≤R14≤2.0；

其中，r20、r21、d20、d21、R2分别表示第一凹形透镜2的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度(即镜片之间的空气距离)及折射率；

r30、r31、d30、d31、R3分别表示第一双凸形透镜3的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r40、r41、d40、d41、R4分别表示第一弯月形透镜4的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r50、r51、d50、d51、R5分别表示第二凹形透镜5的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r60、r61、d60、d61、R6分别表示第一双凹形透镜6的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r70、r71、d70、d71、R7分别表示第二双凸形透镜7的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r80、r81、d80、d81、R8分别表示第三双凸形透镜8的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r90、r91、d90、d91、R9分别表示第二弯月形透镜9的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r100、r101、d100、d101、R10分别表示第四双凸形透镜10的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r110、r111、d110、d111、R11分别表示第二双凹形透镜11的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r120、r121、d120、d121、R12分别表示第三弯月形透镜12的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r130、r131、d130、d131、R13分别表示第四弯月形透镜13的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率；

r140、r141、d140、d141、R14分别表示第五弯月形透镜14的前曲率半径、后曲率半径、镜片的中心厚度、空气厚度及折射率。

本实施例中，采用如下表1所示的结构参数进行仿真，得到的仿真结构如图2-图5所示。

表1各个镜片的曲率半径、厚度及折射率

说明：与折射率一行的厚度表示镜片的中心厚度。

通过表1中的结构参数可知本发明所示的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜镜头后工作距为10毫米，像面大小为10毫米。

如图2所示，本发明实施例中的传递函数图像，其表示光学系统中各个视场各个波长子午平面以及弧矢平面内在不同线对处的分辨能力，横轴表示可分辨的线对数，纵轴表示对比度，若对比度越高则成像质量越好，从图中可看出，本发明的传递函数接近衍射极限，具有优秀的成像质量。

如图3所示，本发明实施例中的光学系统的场曲/畸变图，，其表示光学系统在全视场范围内的场曲以及畸变，从图中可以看出，本发明的双光子显微物镜镜头为全视场场曲处于±5微米，实现了全视场平场，同时具有较小的畸变。

如图4所示，本发明实施例中的光学系统的光斑大小，其为最直观体现光学性能的指标，表示全视场在像面对应的光斑大小。从图中可以看出，本发明的点列图同样接近衍射极限，显微物镜镜头的点列图全视场RMS(均方根)值小于1.30微米，点列图GEO(几何值)全视场小于3.01微米。对于方向设计时使得点列图尽可能小，保证在正向使用时具有良好的像质。

如图5所示，为本发明实施例中的光学系统的圈入能量，其表示光学系统各个视场以及波长在圈入80％能量所对应的光斑大小。与点列图相类似，其80％圈入能量对应的光斑越小则像质越好。通过图5可知本发明的双光子显微镜各个视场及各波长对应80％能量的光斑小于1.5微米。

也即本发明所示的大视场大数值孔径长工作距双光子显微物镜镜头，具有较高的成像质量以及较高的分辨率，同时具有较大的数值孔径。

作为优选，本发明的13片球面透镜的材料分别为：

第一凹形透镜2为环保型冕牌玻璃；

第一双凸形透镜3、第一弯月形透镜4、第二凹形透镜5、第一双凹形透镜6、第二双凹形透镜11及第四弯月形透镜13分别均为环保型重火石玻璃；

第二双凸形透镜7及第五弯月形透镜14为环保型重镧系火石玻璃；

第三双凸形透镜8、第二弯月形透9、第四双凸形透镜10及第三弯月形透镜12均为环保型重冕牌玻璃。

本发明的双光子显微物镜光学系统，每个透镜组所需的透镜均为球面镜片，最多需要13片球面镜片，制造成本较低，同时具有较高分辨率、高成像质量，工作距离长，方便调焦。在系统光阑处可插入相板，另外结构简单，于不同的Tube Lens组合可实现不同放大率的显微设备设计。

本发明设计的双光子显微物镜，通过设置的双分离透镜组、双胶合透镜组以及单透镜组，针对性的对场曲以及其余的轴外像差进行校正，最终设计相较于当前市场上常见的显微物镜，同时实现了大视场、大数值孔径的同时具有长后工作距的特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。