一种荧光共聚焦镜头及其成像方法

技术领域：

本发明涉及一种荧光共聚焦镜头及其成像方法。

背景技术：

荧光共聚焦镜头在生物医学和材料科学的研究中日益受到重视，它以一种非侵入式的、对活体无损伤的检测手段，得到了多方面的欢迎和越来越广泛的灵活应用。医学领域中的荧光共聚焦镜头可以在细胞水平上做多种功能的分析研究，荧光共聚焦镜头与普通光学显微镜相比优点明显，分辨率、灵敏度、放大率和荧光检测信噪比都大大提高，可通过荧光标记检测细胞。

中国发明专利申请号CN202010662232.9提供的一种显微镜的物镜，具有高倍率、大数值孔径的特点，但仍存在无法多种波长共聚焦的问题，没法对特定波长进行选择。因此就需要一种能够解决这一问题的共聚焦显微物镜，本案由此而生。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种荧光共聚焦镜头及其成像方法，设计合理，可实现大孔径的工作要求和三种波长共聚焦，同时可以对特定波长进行选择。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种荧光共聚焦镜头，所述镜头的光学系统由从物方到像方沿光轴依次排布的第一窗片、第一物镜组、滤光片、第二物镜组以及第二窗片组成，第一物镜组与第二物镜组是同一结构物镜且结构对称，所述第一物镜组由从物方到像方沿光轴依次排布的第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜、第六正透镜、第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜组成，其中第五负透镜和第六正透镜构成第一胶合透镜组，第八正透镜和第九负透镜构成第二胶合透镜组，第一胶合透镜组和第二胶合透镜组为对称结构，第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜构成前准直镜组，第一胶合透镜组、第七正透镜、第二胶合透镜组构成前中继镜组；所述第二物镜组由从物方到像方沿光轴依次排布的第十一负透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五负透镜、第十六正透镜、第十七负透镜、第十八正透镜组成，第十一负透镜和第十二正透镜构成第三胶合透镜组，第十四正透镜和第十五负透镜构成第四胶合透镜组，第三胶合透镜组和第四胶合透镜组为对称结构，第三胶合透镜组、第十三正透镜、第四胶合透镜组构成后中继镜组，第十六正透镜、第十七负透镜，第十八正透镜构成后准直镜组。

进一步的，第一物镜组和第二物镜组的间隔区域为平行光出入射，滤光片位于第一物镜组和第二物镜组之间的任意位置。

进一步的，所述第一物镜组和第二物镜组间隔平行光出入射的光束直径/总焦距的比值为：-19～-18。

进一步的，所述第一物镜组和第二物镜组的焦距比值为：1.2～1.3；前准直镜组/前中继镜组的焦距比值、后准直镜组/后中继镜组的焦距比值均为：0.2-0.3。

进一步的，第一胶合镜组、第二胶合镜组、第三胶合镜组以及第四胶合镜组中分别至少包含一个低折射率高色散透镜，其折射率小于1.5，色散系数大于90。

进一步的，镜头使用的波长为767nm-532nm，最大色差小于1.1um。

进一步的，所述滤光片为波长767nm-532nm中的任意波长的窄带滤光片。

进一步的，在前准直镜组和后准直镜组中，第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第十六正透镜、第十七负透镜，第十八正透镜均采用折射率小于1.5、阿贝常数大于94的材料；在第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第三胶合透镜组以及第四胶合透镜组中，第六正透镜、第八正透镜、第十二正透镜以及第十四正透镜均采用折射率折射率小于1.5、阿贝常数大于94的材料；在第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第三胶合透镜组以及第四胶合透镜组中，第五负透镜、第九负透镜、第十一负透镜以及第十五负透镜均为双凹镜片，且材料折射率均为1.637、阿贝常数均为45.41；第六正透镜、第八正透镜、第十二正透镜以及第十四正透镜均为双凸镜片，且材料折射率为1.438、阿贝常数均为94.96。

进一步的，整个镜头的焦距f满足：-0.27mm≤f≤-0.26mm，光学总长TTL满足：115mm≤TTL≤116mm。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种荧光共聚焦镜头的成像方法，成像时：光线从物方到像方依次通过第一窗片、第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜、第六正透镜、第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、滤光片、第十一负透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五负透镜、第十六正透镜、第十七负透镜、第十八正透镜以及第二窗片后进行成像。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，前后消色差达到一定的量级，实现3种波长共聚焦，分辨率达到衍射极限；可在两个物镜组间距中任意位置插入滤光片，实现对特定波长的选择，间隔空间长度可以任意控制，操作方便；整体光学结构中第一物镜组和第二物镜组对称，采用同一物镜，物镜内又有胶合件前后对称，加工简单，易于制造。

附图说明：

图1是本发明实施例中光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的传递函数图；

图3是本发明实施例的轴向像差图。

图中：

1-第一窗片；2-第二正透镜；3-第三负透镜；4-第四正透镜；5-第五负透镜；6-第六正透镜；7-第七正透镜；8-第八正透镜；9-第九负透镜；10-滤光片；11-第十一负透镜；12-第十二正透镜；13-第十三正透镜；14-第十四正透镜；15-第十五负透镜；16-第十六正透镜；17-第十七负透镜；18-第十八正透镜；19-第二窗片；20-第一物镜组；21-第二物镜组；22-前准直镜组；23-前中继镜组；24-后中继镜组；25-后准直镜组。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种荧光共聚焦镜头，以解决多种波长共聚焦的问题，在近距离的工作距离和成像距离下，实现大孔径的工作要求，消色差到一定的量级，实现三种波长共聚焦，同时可以对特定波长进行选择，所述镜头的光学系统由从物方到像方沿光轴依次排布的第一窗片、第一物镜组、滤光片、第二物镜组以及第二窗片组成，第一物镜组与第二物镜组是同一结构物镜且结构对称。第一物镜组和第二物镜组对称，采用同一个物镜，物镜选用低折射率，高色散系数材料消色差。

本实施例中，所述第一物镜组由从物方到像方沿光轴依次排布的第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜、第六正透镜、第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜组成，其中第五负透镜和第六正透镜构成第一胶合透镜组，第八正透镜和第九负透镜构成第二胶合透镜组，第一胶合透镜组和第二胶合透镜组为对称结构，第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜构成前准直镜组，第一胶合透镜组、第七正透镜、第二胶合透镜组构成前中继镜组，前中继镜组采用负正焦距胶合透镜-正焦距透镜-正负焦距透镜对称形式。

本实施例中，所述第二物镜组由从物方到像方沿光轴依次排布的第十一负透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五负透镜、第十六正透镜、第十七负透镜、第十八正透镜组成，第十一负透镜和第十二正透镜构成第三胶合透镜组，第十四正透镜和第十五负透镜构成第四胶合透镜组，第三胶合透镜组和第四胶合透镜组为对称结构，第三胶合透镜组、第十三正透镜、第四胶合透镜组构成后中继镜组，后中继镜组采用负正焦距胶合透镜-正焦距透镜-正负焦距透镜对称形式；第十六正透镜、第十七负透镜，第十八正透镜构成后准直镜组。

本实施例中，整个镜头的焦距f满足：-0.27mm≤f≤-0.26mm，光学总长TTL满足：115mm≤TTL≤116mm。

本实施例中，第一物镜组和第二物镜组的间隔区域为平行光出入射，滤光片位于第一物镜组和第二物镜组之间的任意位置，实现对特定波长的选择。

本实施例中，所述第一物镜组和第二物镜组间隔平行光出入射的光束直径/总焦距的比值为：-19～-18。

本实施例中，所述第一物镜组和第二物镜组的焦距比值为：1.2～1.3；

本实施例中，前准直镜组/前中继镜组的焦距比值、后准直镜组/后中继镜组的焦距比值均为：0.2-0.3。

本实施例中，在前准直镜组、前中继镜组、后准直镜组以及后中继镜组中，第一胶合镜组、第二胶合镜组、第三胶合镜组以及第四胶合镜组中均分别至少包含一个低折射率高色散透镜，其折射率小于1.5，色散系数大于90。

本实施例中，镜头使用的波长为767nm-532nm，最大色差小于1.1um。

本实施例中，所述滤光片为波长767nm-532nm中的任意波长的窄带滤光片。

本实施例中，在前准直镜组和后准直镜组中，前、后准直镜组采用均nd<1.5+vd>94的材料作为单透镜使用，即：第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第十六正透镜、第十七负透镜，第十八正透镜均采用折射率小于1.5、阿贝常数大于94的材料。

本实施例例中，前、后中继镜组结构均为胶合镜片+单透镜+胶合镜片，胶合件的正透镜中使用nd<1.5+vd>94的材料，即：在第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第三胶合透镜组以及第四胶合透镜组中，第六正透镜、第八正透镜、第十二正透镜以及第十四正透镜均采用折射率折射率小于1.5、阿贝常数大于94的材料。

本实施例中，在第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第三胶合透镜组以及第四胶合透镜组中，第五负透镜、第九负透镜、第十一负透镜以及第十五负透镜均为双凹镜片，且材料折射率均为1.637、阿贝常数均为45.41；第六正透镜、第八正透镜、第十二正透镜以及第十四正透镜均为双凸镜片，且材料折射率为1.438、阿贝常数均为94.96。

本实施例中，在设计中将第一物镜组的最后一片镜片的最后一个面设为整个光学系统的光阑面。

本实施例中，第一窗片、第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜、第六正透镜、第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、滤光片、第十一负透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五负透镜、第十六正透镜、第十七负透镜、第十八正透镜以及第二窗片的参数如下表1所示。

表1

本实施例中，该荧光共聚焦镜头的成像方法，成像时：光线从物方到像方依次通过第一窗片、第二正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第五负透镜、第六正透镜、第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、滤光片、第十一负透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五负透镜、第十六正透镜、第十七负透镜、第十八正透镜以及第二窗片后进行成像。

本实施例中，结合光学设计软件ZEMAX，得到成像质量很好的数值孔径0.6的荧光共聚焦显微物镜，工作波长0.767nm&0.671nm&0.532nm，像高0.0002957，工作距离1.3mm，焦距f＝-0.263mm，TTL＝115.5mm。从图2可以看出分辨率几乎达到衍射极限，成像优秀；由图3可以看出色差达到一定的量级，几乎没用了。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。