本實(shí)用新型涉及光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種大數(shù)值孔徑、長工作距離的顯微鏡物鏡。

背景技術(shù)：

顯微鏡是由一個(gè)或幾個(gè)透鏡組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，已成為很多行業(yè)研究必不可少的高科技設(shè)備。在一些精密微型領(lǐng)域，特別在生物醫(yī)療和科研等領(lǐng)域具有不可替代的作用。顯微鏡物鏡是由若干個(gè)透鏡組合而成的一個(gè)透鏡組。組合使用的目的是為了克服單個(gè)透鏡的成像缺陷，提高物鏡的光學(xué)質(zhì)量。顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，物鏡質(zhì)量的好壞直接影響顯微鏡映像質(zhì)量，它是決定顯微鏡的分辨率和成像清晰程度的主要部件。物鏡的主要參數(shù)是數(shù)值孔徑、工作距離、分辨率、焦深、齊焦距離。

數(shù)值孔徑是判斷顯微鏡物鏡性能(分辨率、焦深、亮度等)的重要指數(shù)，工作距離是實(shí)際操作使用時(shí)的重要參數(shù)。數(shù)值孔徑又叫鏡口率，簡寫為NA。它是由物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率(n)與物鏡孔徑角的一半(θ/2)的正弦值的乘積。數(shù)值孔徑是顯微鏡物鏡的重要參數(shù)，決定了物鏡的分辨率，與物鏡的放大倍數(shù)、工作距離、景深有直接關(guān)系。一般來說，它與分辨率成正比，與放大率成正比，焦深與數(shù)值孔徑的平方成反比，數(shù)值孔徑增大，視場寬度與工作距離都會(huì)相應(yīng)變小。目前，世界范圍內(nèi)已有各類顯微鏡物鏡，但是技術(shù)上一般的10×物鏡數(shù)值孔徑能達(dá)到0.25mm，但是工作距離卻只有10mm左右，10×物鏡數(shù)值孔徑能達(dá)到的最大的數(shù)值也只有0.3mm，但是工作距離卻只有10mm以下，加長工作距離，數(shù)值孔徑也會(huì)減小很多。

經(jīng)檢索，關(guān)于提高顯微鏡視場的方案已有公開，如中國專利申請(qǐng)?zhí)?01310546824.4，申請(qǐng)日為2013年11月7日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：6倍超長工作距離物鏡；該申請(qǐng)案公開了一種6倍長工作距離物鏡，整個(gè)系統(tǒng)由兩大組元組成，第一組元具有正的光焦度，第二組元具有負(fù)的光焦度；第一組元由三個(gè)透鏡組組成；第二組元由第四透鏡組組成；第一組元的焦距為fG1，第二組元的焦距為fG2，則它們之間滿足以下條件：0.98<|fG2/fG1|<1.35；第一組元里各個(gè)透鏡組中，第一透鏡組的焦距為fL1，第二透鏡組的焦距為fL2，第三透鏡組的焦距為fL3，滿足以下條件：119<fL2<135，0.5<fL1/fL3<0.7；第二組元的焦距為fG2，滿足以下條件：-78<fG2<-70。該申請(qǐng)案解決了物鏡觀察視場小，出瞳直徑小，成像清晰范圍難以達(dá)到100％的問題。

又如中國專利申請(qǐng)?zhí)?01210418310.6，申請(qǐng)日為2012年10月26日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：用于視頻成像的顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)；以及中國專利申請(qǐng)?zhí)?01210205053.8，申請(qǐng)日為2012年6月20日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：全自動(dòng)尿有形分析儀用30倍物鏡的專利，上述申請(qǐng)案均通過對(duì)透鏡的組合設(shè)計(jì)，達(dá)到了增大觀察視場的目的，但視場的增大幅度較小，仍不能很好的滿足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)顯微鏡物鏡視場及工作環(huán)境的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.實(shí)用新型設(shè)計(jì)要解決的技術(shù)問題

針對(duì)現(xiàn)有顯微鏡物鏡需要長工作距離且數(shù)值孔徑小，不能滿足科技發(fā)展需要的問題，本實(shí)用新型提供了一種大數(shù)值孔徑、長工作距離的顯微鏡物鏡，在數(shù)值孔徑較大的前提下，能得到較長的工作距離，本實(shí)用新型突破了現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，以滿足醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域?qū)︼@微鏡成像效果更高的要求。

2.技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)提供的技術(shù)方案為：

本實(shí)用新型的一種大數(shù)值孔徑、長工作距離的顯微鏡物鏡，包括同光軸設(shè)置的四片球面玻璃透鏡，分別為：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡，所述的四片透鏡從物方至像方依次排列；其中，所述的第一透鏡和第二透鏡組成膠合透鏡組一；上述四片透鏡共有七個(gè)鏡面，從物方至像方依次對(duì)七個(gè)鏡面進(jìn)行排序：第一透鏡面向物方的平面為第一鏡面，第一透鏡面向像方的凹面和第二透鏡面向物方的凸面的膠合面為第二鏡面，第二透鏡面向像方的凸面為第三鏡面，第三透鏡面向物方的凸面為第四鏡面，第三透鏡面向像方的凸面為第五鏡面，第四透鏡面向物方的凸面為第六鏡面，第四透鏡面向像方的凹面為第七鏡面；七個(gè)鏡面的曲率半徑R、鏡面距離D和有效通光孔徑Φ分別為：

第一鏡面為R1＝∞mm、D1＝2.85～3.50mm、Φ1＝10.50～10.80mm；

第二鏡面為R2＝+21.510～+22.125mm、D2＝5.15～5.55mm、Φ2＝11.85～12.50mm；

第三鏡面為R3＝－15.70～－16.05mm、D3＝7.35～7.80mm、Φ3＝13.15～13.65mm；

第四鏡面為R4＝+23.305～+23.650mm、D4＝5.30～5.60mm、Φ4＝15.85～16.35mm；

第五鏡面為R5＝－66.12～－66.35mm、D5＝0.95～1.25mm、Φ5＝15.45～15.85mm；

第六鏡面為R6＝+16.115～+16.423mm、D6＝7.30～7.75mm、Φ6＝15.00～15.20mm；

第七鏡面為R7＝+10.311～+10.523mm、D7＝199.2～201.05mm、Φ7＝11.30～11.60mm；

上述D1為第一鏡面到第二鏡面的距離，D2為第二鏡面到第三鏡面的距離，以此類推，D7為第七鏡面到物鏡像面的距離。

作為本實(shí)用新型更進(jìn)一步地改進(jìn)，所述的膠合透鏡組一的焦距為+47.39mm；

第三透鏡(L3)的焦距為+35.66mm；

第四透鏡(L4)的焦距為-79.89mm。

作為本實(shí)用新型更進(jìn)一步地改進(jìn)，所述的

第一透鏡(L1)的折射率/阿貝系數(shù)為1.75520/27.53；

第二透鏡(L2)的折射率/阿貝系數(shù)為1.49700/81.58；

第三透鏡(L3)的折射率/阿貝系數(shù)為1.49700/81.58；

第四透鏡(L4)的折射率/阿貝系數(shù)為1.75520/27.53。

作為本實(shí)用新型更進(jìn)一步地改進(jìn)，顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑為0.25mm，工作距離為16.5mm。

3.有益效果

采用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的顯微鏡物鏡，全部采用球面鏡片，與現(xiàn)有光學(xué)鏡片加工與檢測工藝完全兼容，制造成本低；且在本實(shí)用新型設(shè)計(jì)給出的七個(gè)鏡面的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑能達(dá)到0.25mm，工作距離達(dá)到16.5mm，能夠滿足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)顯微鏡物鏡視場及工作距離的高要求。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的顯微鏡物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為在本實(shí)用新型實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，ZEMAX軟件模擬出的顯微鏡物鏡的視場參數(shù)表；

圖3、圖4、圖5和圖6分別為ZEMAX軟件模擬出的在圖2視場設(shè)定條件下，顯微鏡物鏡成像質(zhì)量效果圖；其中，圖3為光線色散情況示意圖，其橫坐標(biāo)為歸一化孔徑，縱坐標(biāo)為以波數(shù)為單位的參考主光線的光程差；圖4為單色光基于衍射的能量集中度示意圖，其橫坐標(biāo)為衍射光斑的半徑，縱坐標(biāo)為當(dāng)前半徑內(nèi)的能量占總能量的百分比；圖5為多色光光學(xué)傳遞函數(shù)示意圖，其橫坐標(biāo)為空間頻率，縱坐標(biāo)為傳遞函數(shù)值；圖6為波相差與理論值的對(duì)比示意圖，其為實(shí)際波面與參考球面之間的光程差。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步了解本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)作詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的顯微鏡物鏡包括同光軸設(shè)置的四片球面玻璃透鏡，從物方至像方依次排列：

第一透鏡L1和第二透鏡L2組成膠合透鏡組一，其中第.一透鏡L1面向物方為平面，面向像方為凹面；第二透鏡L2面向物方為凸面，面向像方為凸面，第一透鏡L1面向像方的凹面與第二透鏡L2面向物方的凸面膠合在一起。

第三透鏡L3面向物方為凸面，面向像方為凸面。

第四透鏡L4面向物方為凸面，面向像方為凹面。

上述四片透鏡共有七個(gè)鏡面，第一透鏡L1面向物方的平面為第一鏡面，第一透鏡L1面向像方的凹面和第二透鏡L2面向物方的凸面的膠合面為第二鏡面，第二透鏡L2面向像方的凸面為第三鏡面，第三透鏡L3面向物方的凸面為第四鏡面，第三透鏡L3面向像方的凸面為第五鏡面，第四透鏡L4面向物方的凸面為第六鏡面，第四透鏡L4面向像方的凹面為第七鏡面。七個(gè)鏡面的曲率半徑R、鏡面距離D、有效通光孔徑Φ和四片透鏡的折射率/阿貝系數(shù)(nd/vd)參見表1：

表1實(shí)施例1中四片透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)

上表中D1為第一鏡面到第二鏡面的距離，D2為第二鏡面到第三鏡面的距離，以此類推，D7為第七鏡面到物鏡像面的距離。

此外，本實(shí)施例所述的膠合透鏡組一的焦距為+47.39mm，第三透鏡L3的焦距為+35.66mm，第四透鏡L4的焦距為-79.89mm。

圖2為在本實(shí)施例提供的上述參數(shù)下，ZEMAX軟件模擬出的顯微鏡物鏡的視場參數(shù)表。由圖2的參數(shù)可得，本實(shí)施例顯微鏡物鏡的視場為22mm，顯微鏡物鏡的視場大幅度增大，能夠滿足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)顯微鏡物鏡視場的高要求。

圖3、圖4、圖5和圖6分別為ZEMAX軟件模擬出的在圖2視場設(shè)定條件下，顯微鏡物鏡成像質(zhì)量效果圖。圖3所展示的是在大視場下光線色散的情況，由圖3可以看出，在不同視場下，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差關(guān)系，X、Y分別表示弧矢分量和子午分量，圖像的最大垂直比例為±50.000波長。以由上至下、由左至右的順序看圖，第一幅圖像表示視場點(diǎn)為0.0000mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差曲線圖，以橫坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，由下至上的各曲線分別代表波長為0.644、0.546、0.480、0.436的曲線；第二幅圖像表示視場點(diǎn)為0.5050mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差曲線圖，以橫坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，由下至上的各曲線分別代表波長為0.644、0.546、0.480、0.436的曲線；第三幅圖像表示視場點(diǎn)為0.7070mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差曲線圖，以橫坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，由下至上的各曲線分別代表波長為0.644、0.546、0.480、0.436的曲線；第四幅圖像表示視場點(diǎn)為0.8660mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差曲線圖，以橫坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，由下至上的各曲線分別代表波長為0.644、0.546、0.480、0.436的曲線；第五幅圖像表示視場點(diǎn)為1.1000mm，其子午分量和弧矢分量的光瞳坐標(biāo)下光程差曲線圖，以橫坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，由下至上的各曲線分別代表波長為0.644、0.546、0.480、0.436的曲線。其中每副曲線圖中的曲線越靠近橫坐標(biāo)軸，其光程差越好，由圖像可以體現(xiàn)出整個(gè)視場的色散較好。

圖4所展示的是在大視場下，單色光體現(xiàn)出的基于衍射的能量集中度。圖4中，各曲線與基準(zhǔn)線相交由下至上，每條曲線分別表示視場點(diǎn)為1.1000mm、0.8660mm、0.7070mm、0.5050mm、0.0000mm時(shí)，視場的能量百分比與光斑半徑之間的關(guān)系，其中最上面一條曲線為理想情況下能量百分比與光斑半徑的關(guān)系，其他曲線與此理想曲線之間差距越小越好，圖4可以體現(xiàn)出整個(gè)視場較好的能量集中度。

圖5所展示的是在大視場下多色光光學(xué)傳遞函數(shù)。圖5中T為子午分量，S為弧矢分量；作一基準(zhǔn)線，各曲線與基準(zhǔn)線相交由下至上，其第一條曲線表示視場點(diǎn)為1.1000的弧矢分量的傳遞函數(shù)，第二條曲線表示視場點(diǎn)為1.1000mm的子午分量的傳遞函數(shù)，第三條曲線表示視場點(diǎn)為0.8660mm的子午分量的傳遞函數(shù)，第四條曲線表示視場點(diǎn)為0.7070mm的子午分量的傳遞函數(shù)，第五條曲線表示視場點(diǎn)為0.5050mm的子午分量的傳遞函數(shù)，第六條曲線表示視場點(diǎn)為0.8660mm的弧矢分量的傳遞函數(shù)，第七條曲線表示視場點(diǎn)為0.5050mm的弧矢分量的傳遞函數(shù)，第八條曲線表示視場點(diǎn)為0.0000mm的子午分量的傳遞函數(shù)和弧矢分量的傳遞函數(shù)，第九條曲線表示視場點(diǎn)為0.7070mm的弧矢分量的傳遞函數(shù)。其中第十條曲線為理想情況下的傳遞函數(shù)曲線，其他曲線與此理想曲線越接近表示性能越好，由圖5可以看出整個(gè)視場的襯度非常好。圖6所展示的是在大視場下，波相差與理論值接近完美。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的顯微鏡物鏡，結(jié)構(gòu)基本同實(shí)施例1，本實(shí)施例七個(gè)鏡面的曲率半徑R、鏡面距離D、有效通光孔徑Φ和四片透鏡的折射率/阿貝系數(shù)(nd/vd)參見表2：

表2實(shí)施例2中四片透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)

上表中D1為第一鏡面到第二鏡面的距離，D2為第二鏡面到第三鏡面的距離，以此類推，D7為第七鏡面到物鏡像面的距離。

本實(shí)施例顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑同樣能夠達(dá)到0.25mm，工作距離達(dá)到16.5mm，能夠滿足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)顯微鏡物鏡視場及工作距離的高要求。

實(shí)施例3

本實(shí)施例的顯微鏡物鏡，結(jié)構(gòu)基本同實(shí)施例1，本實(shí)施例七個(gè)鏡面的曲率半徑R、鏡面距離D、有效通光孔徑Φ和四片透鏡的折射率/阿貝系數(shù)(nd/vd)參見表3：

表3實(shí)施例3中四片透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)

上表中D1為第一鏡面到第二鏡面的距離，D2為第二鏡面到第三鏡面的距離，以此類推，D7為第七鏡面到物鏡像面的距離。

本實(shí)施例顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑同樣能夠達(dá)到0.25mm，工作距離達(dá)到16.5mm，能夠滿足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)顯微鏡物鏡視場及工作距離的高要求。

實(shí)施例1～3所述的顯微鏡物鏡，可實(shí)現(xiàn)高分辨力的成像，數(shù)值孔徑大、工作距離長、視場大、分辨率高；全部采用球面鏡片，與現(xiàn)有光學(xué)鏡片加工與檢測工藝完全兼容，體積小、加工工藝成熟、制造成本低，便于推廣應(yīng)用。