一种适合空间应用的小型化长工作距显微光学系统

摘要

本发明公开了一种适合空间应用的小型化长工作距显微光学系统，该系统包含一个长工作距消色差显微物镜和一个折光系统。所说的长工作距消色差显微物镜从物方至像方按顺序由第一正透镜、第二正透镜、正胶合透镜组、负胶合透镜组组成。所说的折光系统由两块反射棱镜、光学胶合构成。本发明的优点是采用逆向光路追迹，其中负透镜组起增大放大率的作用，增大后截距，从而增加后工作距；结合另一正透镜组和两个单片正透镜，使每个透镜的光焦度合理化均匀分配，可以降低高级像差，实现平像场，共同组成长工作距离显微物镜。并采用全反射式折光系统缩短轴向距离，构成一种适合空间实际应用的小型化长工作距显微光学系统。

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件、系统，具体是指一种用于观测空间立体分布细胞目标的小型化长工作距显微光学系统。

背景技术

空间生命科学是一个全新的，也是现在世界各国积极研究的领域，在空间进行显微观察研究对空间生命科学发展的意义重大。空间显微观察的目标是装在密闭容器中立体分布的细胞，与装在载片上的地面显微观察目标有很大的不同。在地面由于重力的作用，目标平铺成一层，可当成一个平面；在空间重力近乎消失，细胞悬浮在容器中，呈空间立体分布。要在空间进行显微观察，首先必须要有针对空间应用中的空间立体分布细胞目标的小型化长工作距显微光学系统。

一般显微光学系统所使用的显微物镜放大倍率越高则工作距离越小，现有的地面使用的各种显微光学系统应用于不同的技术领域，如实验室常用的显微光学系统，包括生物学显微镜、金相显微镜等显微光学系统，其工作距离较小，适合于平面样品片的观察，不适合空间中的立体分布细胞目标的显微观察，而且地面显微光学系统的体积和重量也不适应空间应用。

针对某些特殊的地面上应用，如测试光导纤维、羊毛、细金属丝、化学纤维等，所设计的长工作距离显微物镜，在同一种介质中使用，其放大倍率主要靠像距与物距之比来实现。把显微物镜的物距看作为工作距离，越长的工作距离，则像距也越长，整个光学系统总长就越长。为了使得显微光学系统的体积小型化，专利96117232.0“长工作距离短镜筒正像显微物镜”是在采用负透镜组实现长工作距离的同时，利用别汉棱镜来实现正像短镜筒，该发明是通过光线在别汉棱镜中的6次全反射来缩短轴向距离的。对于空间应用中的立体分布细胞目标的显微观察，细胞悬浮在容器中，要求光学系统具有一定的视场角，由于全反射对于光线入射角有一定限制，对于不同视场的光线很难全部实现多次全反射；另外，对于消色差物镜而言，使用棱镜实现短镜筒会给显微系统带来色差，进而影响成像质量。

发明内容

基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是通过设计一长工作距离的消色差显微物镜，并采用全反射式折光系统缩短轴向距离，构成一种适合空间实际应用的小型化长工作距显微光学系统。

本发明的目的是这样实现的，小型化长工作距显微光学系统如图1所示，从物方至像方按顺序包含；一个长工作距消色差显微物镜100和一个折光系统200。

所说的长工作距消色差显微物镜100从物方至像方按顺序由第一正透镜110、第二正透镜120、正胶合透镜组130、负胶合透镜组140组成。

所说的折光系统200由两块反射棱镜201、202光学胶合构成。

来自物方的光束透过显微物镜100的第一正透镜110、第二正透镜120、正胶合透镜组130的透镜131、透镜132，负胶合透镜组140的透镜141、透镜142，经折光系统200的第一反射棱镜201、第二反射棱镜202反射至像方。

本发明的显微物镜设计采用逆向光路追迹，其中负透镜组起增大放大率的作用，增大后截距，从而增加后工作距；结合另一正透镜组和两个单片正透镜，使每个透镜的光焦度合理化均匀分配，可以降低高级像差，实现平像场，共同组成长工作距离显微物镜。长工作距离显微物镜系统的设计，由初级像差理论确定光学系统的结构参数，再优化高级像差，最终得到显微物镜的光学结构。

使用两块反射棱镜进行光学胶合构成全反射式折光系统，将此系统引入显微光路基本不改变系统的成像质量，并且可以使光学系统的长度缩短，以满足空间应用的需求。

本发明的优点是：

该系统通过采用负胶合透镜组实现高倍率显微物镜的长工作距，并结合正胶合透镜组和两个单片透镜，合理分配光焦度降低高级像差，实现平像场，能够适应在空间应用中对样品盒中三维立体目标的显微观测；

该长工作距显微光学系统通过折光后的体积可以控制，结构紧凑、牢固、便于实现小型化。

附图说明

图1为本发明的显微光学系统结构示意图；

图中：d1为显微物镜的工作距离；

d2为正透镜110和正透镜120间隔距离；

d3为正透镜120与正胶合透镜组130间隔距离；

d4为正胶合透镜组130与负胶合透镜组140间隔距离；

d5为显微物镜到折光系统200的间隔距离；

d6为折光系统到接受像面的距离；

R111为正透镜110的前表面曲率半径；

R112为正透镜110的后表面曲率半径；

R121为正透镜120的前表面曲率半径；

R122为正透镜120的后表面曲率半径；

R1311为正胶合透镜组130的前表面曲率半径；

R1312-21为正胶合透镜组130的胶合面曲率半径；

R1322为正胶合透镜组130的后表面曲率半径；

R1411为负胶合透镜组140前表面曲率半径；

R1412-21为负胶合透镜组140的胶合面曲率半径；

R1422为负胶合透镜组140的后表面曲率半径。

具体实施方式

根据图1中的小型化长工作距显微光学结构，设计了一消色差平像场长工作距显微光学系统，像质接近衍射极限。系统技术指标如下：

数值孔径：N.A＝0.45

焦距：4.7mm

视场：18°

工作波长：0.4μm-0.7μm

光学系统的具体设计参数如表1所示。

                                        表1

  元件名称  面序号  曲率半径  (mm)  间隔或  厚度(mm)  材料  孔径  (mm)  物面  0.6  正透镜  110  R111(孔径光阑)  R112  -124.5  -7.5  6.8  3.44  K9  9.8  9.8  正透镜  120  R121  R122  82.5  14.6  0.1  3.2  K9  11  11  正胶合  透镜组  130  R1311  R1312-21  R1322  34  7.5  -28  0.1  1  4.5  ZF6  QK3  11.5  11.5  11.5  负胶合  透镜组  140  R1411  R1412-21  R1422  10.23  5.2  4.95  22.4  6  6  LAF4  LAF3  12.6  12.6  8.8  像面  180  24