本發(fā)明屬于光學(xué)顯微技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種顯微物鏡以及具有該顯微物鏡的寬視場高分辨率成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不斷追求越來越大的視場和越來越高的分辨能力。在顯微成像領(lǐng)域，這一點(diǎn)顯得尤為重要，一個(gè)好的物鏡結(jié)構(gòu)對顯微鏡成像的效果影響甚遠(yuǎn)。

普通的顯微鏡物鏡在視場和分辨能力上不能兼得，而提高物鏡的成像質(zhì)量對于整個(gè)顯微系統(tǒng)來說又非常的重要，這里顯微系統(tǒng)分辨能力主要取決于物鏡的衍射極限，所以物鏡的設(shè)計(jì)是整個(gè)顯微系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。

顯微物鏡的數(shù)值孔徑是顯微鏡的重要光學(xué)參數(shù)，由瑞利判據(jù)和正弦條件可知，顯微系統(tǒng)的分辨率可表示為σ＝0.61λ/NA，其中λ為光波長，NA為數(shù)值孔徑。使用短波長的光可以提高顯微系統(tǒng)的分辨率。在同樣波長下的光，要想提高顯微系統(tǒng)的分辨率，則應(yīng)該增加數(shù)值孔徑NA。顯微鏡的數(shù)值孔徑可表示為NA＝nsinα，所以可以通過使用油浸物鏡來增加數(shù)值孔徑的值，但是這樣的加大了使用的難度。此外，物鏡的數(shù)值孔徑在一定程度上還取決于光學(xué)系統(tǒng)像差的校正情況，我們常用低折射率、低色散的螢石鏡片來改善色差提高鏡頭的成像品質(zhì)。

如今，光學(xué)顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。來到20世紀(jì)，光學(xué)顯微鏡的分辨能力已經(jīng)可以到納米尺度。現(xiàn)在的顯微鏡在大視場范圍內(nèi)的觀察，尤其是在大視場熒光下觀察的需求越來越多，而增大顯微物鏡的視場同時(shí)具有較高的分辨率是今后顯微物鏡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種顯微物鏡以及具有該顯微物鏡的寬視場高分辨率成像系統(tǒng)，通過對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和照明裝置的改進(jìn)，使顯微物鏡能在不同照明方式下進(jìn)行觀察，有效提高了顯微物鏡系統(tǒng)的分辨率和應(yīng)用范圍。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

一種顯微物鏡，所述的顯微物鏡具有光軸自左向右順序排列的第一透鏡組、第二透鏡組、第三透鏡組、第四透鏡組、第五透鏡組、第六透鏡組、第七透鏡組、第八透鏡組、第九透鏡組和第十透鏡組。

所述顯微物鏡采用十組十三片球面透鏡，十個(gè)透鏡組分別為第一透鏡組為負(fù)、第二透鏡組、第三透鏡組、第四透鏡組、第五透鏡組、第六透鏡組、第七透鏡組、第八透鏡組、第九透鏡組和第十透鏡組。所述的第一透鏡組至第五透鏡組采用正透鏡和雙膠合透鏡組合的結(jié)構(gòu)形式，使系統(tǒng)主面前移獲得長焦距和短工作距離。所述的第一透鏡組光焦度為負(fù)，第二透鏡組為雙膠合透鏡，第一片透鏡光焦度為正，第二片光焦度為負(fù)。第三透鏡組光焦度為正。第四、五透鏡組為雙膠合透鏡，每一組的第一片透鏡光焦度為負(fù)，第二片透鏡光焦度為正。所述的第六透鏡組至第十透鏡組采用雙膠合組及高阿貝系數(shù)玻璃矯正寬波段色差，延長了系統(tǒng)的后工作距離。所述的第六透鏡組光焦度為正，第七透鏡組光焦度為負(fù)，第八透鏡組光焦度為負(fù)，第九透鏡組光焦度為正，第十透鏡組光焦度為正。

所述第一透鏡組采用的材料是H-ZF52A，前表面的半徑為-17.039mm，后表面的半徑為-21.8mm，厚度為6.3mm。第二透鏡組有兩片透鏡膠合而成，采用的材料分別是H-ZF52A和H-LAK3，第一片透鏡的前表面半徑為-114.485mm，后表面半徑為-26.89mm，厚度為10.5mm；第二片透鏡的后表面半徑為-52.986mm，厚度為3.1mm。第三透鏡組采用的材料是H-ZF52A，前表面的半徑為55.534mm，后表面的半徑為-122mm，厚度為29.9mm。第四透鏡組和第五透鏡組都是雙膠合透鏡組，所采用的材料都是H-ZF7LA和H-ZBAF3，第四透鏡組的第一片透鏡前表面半徑為-89.2mm，后表面半徑為24.21mm，厚度為25mm；第二片透鏡后表面半徑為-36.85mm，厚度為10.4mm。第五透鏡組第一片透鏡前表面半徑為-32.214mm，后表面半徑為30.2mm，厚度為2.5mm；第二片透鏡后表面半徑為-89.77mm，厚度為7.3mm。第六透鏡組采用的材料是H-ZBAF5，前表面半徑為44.253mm，后表面半徑為-50.35mm，透鏡的厚度為19.8mm。第七透鏡組采用的材料是H-F2，前表面半徑為-38.68mm，后表面半徑為336.84mm，厚度為25mm。第八透鏡組采用的材料是H-LAK3，前表面半徑為-26.42mm，后表面半徑為-222.59mm，厚度為4mm。第九透鏡組采用的材料是ZF5，前表面半徑為-150.714mm，后表面半徑為-69.98mm，厚度為15.6mm。第十透鏡組采用的材料是H-ZBAF5，前表面半徑為3200mm，后表面半徑為-174.5mm，厚度為13.25mm。

所述的顯微物鏡還包括位于孔徑光闌，其位置在第六組透鏡前0.5mm處。

本發(fā)明還提供了一種寬視場高分辨率成像系統(tǒng)，包括光源、顯微成像物鏡、分光鏡組和反射鏡組，所述的顯微成像物鏡、分光鏡組和反射鏡組在同一光軸上，用于形成曲形像面。

所述的顯微成像物鏡具有光軸自左向右順序排列的第一透鏡組、第二透鏡組、第三透鏡組、第四透鏡組、第五透鏡組、第六透鏡組、第七透鏡組、第八透鏡組、第九透鏡組和第十透鏡組，所述第一透鏡組光焦度為負(fù)；所述第二透鏡組為雙膠合透鏡，第一片透鏡光焦度為正，第二片透鏡光焦度為負(fù)；所述第三透鏡組光焦度為正；所述第四透鏡組和五透鏡組為雙膠合透鏡，每組的第一片透鏡光焦度為負(fù)，第二片透鏡光焦度為正；所述的第六透鏡組光焦度為正；第七透鏡組光焦度為負(fù)；第八透鏡組光焦度為負(fù)；第九透鏡組光焦度為正；第十透鏡組光焦度為正。

優(yōu)選的，第一透鏡組至第五透鏡組采用正透鏡和雙膠合透鏡相互組合的形式，使系統(tǒng)主面前移獲得長焦距和短工作距離，第六透鏡組至第十透鏡組采用若干高阿貝系數(shù)玻璃來矯正寬波段的色差。

優(yōu)選的，所述的顯微成像物鏡放大倍數(shù)為35，數(shù)值孔徑為0.3。

優(yōu)選的，所述的分光鏡組由一面半反半透鏡和一面二向色鏡組成。

優(yōu)選的，所述的半反半透鏡和二向色鏡與光軸的夾角均為45°，二者可通過機(jī)械導(dǎo)軌裝置進(jìn)行移動。

優(yōu)選的，所述的反射鏡組與光軸的夾角為45°，能使系統(tǒng)的光路折轉(zhuǎn)90°。

優(yōu)選的，所述的曲形像面與反射鏡組在同一光軸上，與顯微成像物鏡所在的光軸垂直，所述曲形像面的曲率半徑為2016mm。

本發(fā)明主要由十個(gè)透鏡組組成的顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)，這十個(gè)透鏡組沿光軸自左向右順序排列，其中第二個(gè)透鏡組、第四個(gè)透鏡組和第五透鏡組為雙膠合透鏡組，待測樣品通過上述的寬視場高分辨顯微物鏡系統(tǒng)消色差后清晰放大成像。

由兩個(gè)鍍了不同膜的平面鏡組成的分光器件，其中一個(gè)是半透半反平面鏡，所述的半透半反平面鏡接收來自光源發(fā)出的光，一半光被反射，一辦光透射進(jìn)入顯微物鏡系統(tǒng)，后為待測樣本提供照明。所述的半透半反鏡可以使進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)光強(qiáng)適宜，便于觀察樣本圖像。另一個(gè)是二向色鏡，用于熒光成像。所述的二向色鏡對激發(fā)光波長的光有很強(qiáng)的反射率，而對標(biāo)本發(fā)出的熒光波長區(qū)的光有很高的透過率，它對反射激發(fā)光和透射熒光起著重要的作用。這里選擇通過的是波長為555nm的綠光。激發(fā)光束經(jīng)過鍍了二向色性膜的平面鏡和上述顯微物鏡系統(tǒng)后穿過標(biāo)本材料來激發(fā)熒光，誘發(fā)的熒光再經(jīng)上述顯微物鏡系統(tǒng)放大和上述二向色鏡后成像，這樣就可以得到視野照明均勻，成像清晰的熒光圖像。這兩塊平面鏡可通過機(jī)械裝置橫向移動來選擇用其中一塊玻璃來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。

由一塊平板反射鏡完成系統(tǒng)光路的折轉(zhuǎn)；所述的平板反射鏡不會帶來任何的像差，保證顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)的清晰成像。

寬視場高分辨顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA為0.3，工作距離為20mm，倍率為35倍，工作波段為460-650nm，系統(tǒng)整體的焦距為57mm。

所述的分光器件分別為半透半反鏡和二向色鏡，所述的半透半反鏡與光軸的夾角為45°，可接收可見光全波段，它的作用是消減了光源發(fā)出光的強(qiáng)度，使觀察者能在適宜的強(qiáng)度下清晰地觀察樣本。所述的二向色鏡與光軸的夾角同為45°，分光波長為555nm，用來促使熒光材料激發(fā)熒光，使觀察者能觀察到清晰的熒光圖像。所述的兩種分光器件可在不同的需求下進(jìn)行選擇，并通過機(jī)械裝置進(jìn)行橫向移動。

所述的寬視場高分辨率顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)最終形成了曲形像面，有效減小了系統(tǒng)的像差。

本發(fā)明的目的是為兼顧成像系統(tǒng)寬視場和高分辨率的顯微物鏡成像，利用寬視場物鏡實(shí)現(xiàn)物面寬視場，實(shí)現(xiàn)整個(gè)顯微物鏡的視場比傳統(tǒng)光電成像系統(tǒng)高兩個(gè)數(shù)量級，達(dá)到一億像素的成像分辨率。

本發(fā)明全視場分辨率一致，解決了現(xiàn)有成像顯微物鏡在大視場下無法提高系統(tǒng)分辨率的問題，使整個(gè)顯微物鏡系統(tǒng)在大視場下成像質(zhì)量達(dá)到衍射極限。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的寬視場高分辨顯微物鏡系統(tǒng)整體的光學(xué)系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明的寬視場高分辨顯微物鏡部分的光學(xué)系統(tǒng)圖。

圖3為本發(fā)明的寬視場高分辨顯微物鏡系統(tǒng)的場曲和畸變曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的寬視場高分辨顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)包括光源100、顯微物鏡200、分光器件300、反射鏡400組成。光源100出射的光經(jīng)過分光器件300和顯微物鏡200照亮待測樣品之后，待測樣品通過寬視場高分辨顯微物鏡200放大成像，經(jīng)過分光器300分光和反射鏡400反射得到曲形像面500。

寬視場高分辨顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA為0.3，工作距離為20mm，倍率為35倍，工作波段為460-650nm，如圖2所示，顯微物鏡200主要由第一透鏡組201、第二透鏡組202、第三透鏡組203、第四透鏡組204、第五透鏡組205、第六透鏡組206、第七透鏡組207、第八透鏡組208、第九透鏡組209、第十透鏡組210組成。這些透鏡組合在一起對顯微物鏡系統(tǒng)的像差進(jìn)行了校正，使顯微系統(tǒng)的性能得到了提高。所述的第二透鏡組202，第四組透鏡204，第五組透鏡205為雙膠合透鏡，第二透鏡組為正負(fù)型，第四透鏡組和第五透鏡組為負(fù)正型，有利于獲得長焦距和短工作距離。此外第三透鏡組、第六透鏡組、第九透鏡組和第十透鏡組光焦度為正，而第一透鏡組、第七透鏡組和第八透鏡組光焦度為負(fù)。光闌位于第六透鏡組的前方0.5mm處，第八組透鏡用了高阿貝色散系數(shù)材料來矯正寬波段色差，這樣使所述的顯微物鏡系統(tǒng)在460-650nm全波段清晰成像。

表1給出了顯微物鏡200的設(shè)計(jì)結(jié)果，包括各透鏡的具體參數(shù)。

表1

圖3是本發(fā)明的顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變，從圖上可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的最大光學(xué)畸變＜0.4％。。

分光器件300由半透半反鏡301和二向色鏡302組成，兩種分光器件可在不同的可見光光源和熒光光源下進(jìn)行選擇，并通過機(jī)械裝置進(jìn)行橫向移動。半透半反鏡301和二向色鏡302與光軸的夾角都為45°，半透半反鏡301可接收460-650nm全波段，二向色鏡302的分光波長為555nm。

反射鏡400與光軸的夾角都為45°，使系統(tǒng)的光路折轉(zhuǎn)90°，反射鏡400不會帶來任何的像差，保證顯微物鏡的清晰成像。

所述的曲形像面500有效地校正了系統(tǒng)的像差，尤其是在邊緣視場中的場曲像差，其曲率半徑R＝2016mm。

光源100經(jīng)過柯勒系統(tǒng)和顯微物鏡200以及分光器件300后均勻照亮待測樣品，被照亮的待測樣品經(jīng)過顯微物鏡200后完成寬視場高分辨率的放大成像，然后經(jīng)過分光器件300中被選擇的半透半反鏡301或者二向色鏡302分光，接著通過反射鏡400反射得到曲形像面500。

本發(fā)明的顯微物鏡在460-650nm波段范圍內(nèi)具有寬視場高分辨率的特點(diǎn)，利用曲形像面技術(shù)使顯微物鏡系統(tǒng)具有很好的成像質(zhì)量。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。