一种一体式显微光学系统及显微镜的制作方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种一体式显微光学系统及显微镜。


背景技术：

2.显微镜头镜头兼具高放大率和低畸变的特点，在医疗、检测领域市场上占有极大地份额。当前市场对显微镜镜头镜头的规格和性能要求非常高，比如要求满足高清解像能力，低畸变，甚至无畸变。畸变太大，物像对比失真严重，同类产品相对照度低。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种一体式显微光学系统及显微镜，可实现高放大率、低畸变、高相对照度。
4.根据本发明第一方面实施例的一种一体式显微光学系统，包括自像侧至物侧依次设置且处于同一光轴的：第一透镜，其具有正光焦度；第二透镜，其具有正光焦度且与第一透镜间隔设置；第三透镜，其具有负光焦度且与第二透镜间隔设置；第四透镜，其具有正光焦度且与第三透镜组成粘合透镜；光阑，其与第四透镜间隔设置并用于限制光束口径；第五透镜，其具有正光焦度且与光阑间隔设置；第六透镜，其具有负光焦度且与第五透镜组成粘合透镜；第七透镜，其具有正光焦度且与第六透镜间隔设置；感光芯片，其与第七透镜间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。
5.根据本发明实施例的一种一体式显微光学系统，至少具有如下有益效果：本发明通过合理分配镜片光焦度、搭配不同材料，实现高放大率的同时，满足了低畸变和高相对照度的要求。
6.根据本发明的一些实施例，第一透镜朝向物侧的一面为平面，朝向像侧的一面为平面；第二透镜朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面；第三透镜朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凹面；第四透镜朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凸面；第五透镜的两个面均为凸面；第六透镜朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第七透镜朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面。
7.根据本发明的一些实施例，所述的光学系统满足以下关系式：
8.1.5《f1/f《4；
9.5《f2/f《6；
[0010]-12《f
3-4
/f《-11；
[0011]
3《f
5-6
/f《4；
[0012]
0《f7/f《1；
[0013]
24《tl/f《25；
[0014]
其中，f为所述一体式显微光学系统的焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f
3-4
为第三透镜和第四透镜的组合焦距，f
5-6
为第五透镜和第六透镜的组合焦距，f7为第七透镜的焦距，tl为所述一体式显微光学系统的总体长度。
[0015]
根据本发明的一些实施例，所述的光学系统满足以下关系式：
[0016]
nd1≥1.51；
[0017]
nd2≤1.92；
[0018]
nd3≥1.80；
[0019]
nd4≥1.62；
[0020]
nd5≥1.49；
[0021]
nd6≤1.84；
[0022]
nd7≥1.92；
[0023]
其中，nd1为第一透镜的折射率，nd2为第二透镜的折射率，nd3为第三透镜的折射率，nd4为第四透镜的折射率，nd5为第五透镜的折射率，nd6为第六透镜的折射率，nd7为第七透镜的折射率。
[0024]
根据本发明的一些实施例，所述的光学系统满足以下关系式：
[0025]
vd1≥64.21；
[0026]
vd2≤20.88；
[0027]
vd3≥25.4；
[0028]
vd4≤60.37；
[0029]
vd5≤81.59；
[0030]
vd6≥23.79；
[0031]
vd7≤20.88；
[0032]
其中，vd1为第一透镜的色散系数，vd2为第二透镜的色散系数，vd3为第三透镜的色散系数，vd4为第四透镜的色散系数，vd5为第五透镜的色散系数，vd6为第六透镜的色散系数，vd7为第七透镜的色散系数。
[0033]
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜皆为玻璃球面透镜。
[0034]
根据本发明的一些实施例，所述感光芯片和第一透镜之间设置有滤光片和保护玻璃。
[0035]
根据本发明第二方面实施例的一种显微镜，包括镜筒和安装于镜筒内的所述一体式显微光学系统。
[0036]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0037]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0038]
图1为本发明实施例的光学系统结构示意图；
[0039]
图2为本发明实施例的场曲/畸变效果图；
[0040]
图3为本发明实施例的网格畸变图效果图；
[0041]
图4为本发明实施例的相对照度曲线图。
[0042]
附图标记：
[0043]
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、光阑sto、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、感光芯片8。
具体实施方式
[0044]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0045]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0046]
参考图1所示，为本技术方案第一种实施例的根据本发明第一方面实施例的一种一体式显微光学系统，包括自像侧至物侧依次设置且处于同一光轴的：第一透镜1，其具有正光焦度；第二透镜2，其具有正光焦度且与第一透镜1间隔设置；第三透镜3，其具有负光焦度且与第二透镜2间隔设置；第四透镜4，其具有正光焦度且与第三透镜3组成粘合透镜；光阑sto，其与第四透镜4间隔设置并用于限制光束口径；第五透镜5，其具有正光焦度且与光阑sto间隔设置；第六透镜6，其具有负光焦度且与第五透镜5组成粘合透镜；第七透镜7，其具有正光焦度且与第六透镜6间隔设置；感光芯片8，其与第七透镜7间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。
[0047]
本发明通过通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配镜片光焦度、搭配不同材料，在实现高放大率的同时，满足了低畸变和高相对照度的要求。
[0048]
在本发明的一些实施例中，第一透镜1朝向物侧的一面为平面，朝向像侧的一面为平面；第二透镜2朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面；第三透镜3朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凹面；第四透镜4朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凸面；第五透镜5的两个面均为凸面；第六透镜6朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第七透镜7朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面。
[0049]
在本发明的一些实施例中，所述的光学系统满足以下关系式：
[0050]
1.5《f1/f《4；
[0051]
5《f2/f《6；
[0052]-12《f
3-4
/f《-11；
[0053]
3《f
5-6
/f《4；
[0054]
0《f7/f《1；
[0055]
24《tl/f《25；
[0056]
其中，f为所述一体式显微光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2为第二透镜2的焦距，f
3-4
为第三透镜3和第四透镜4的组合焦距，f
5-6
为第五透镜5和第六透镜6的组合焦距，f7为第七透镜7的焦距，tl为所述一体式显微光学系统的总体长度。
[0057]
在本发明的一些实施例中，所述的光学系统满足以下关系式：
[0058]
nd1≥1.51；
[0059]
nd2≤1.92；
[0060]
nd3≥1.80；
[0061]
nd4≥1.62；
[0062]
nd5≥1.49；
[0063]
nd6≤1.84；
[0064]
nd7≥1.92；
[0065]
其中，nd1为第一透镜1的折射率，nd2为第二透镜2的折射率，nd3为第三透镜3的折射率，nd4为第四透镜4的折射率，nd5为第五透镜5的折射率，nd6为第六透镜6的折射率，nd7为第七透镜7的折射率。
[0066]
本实施例中，满足上述折射率关系的透镜组合结构，有利于实现光焦度的合理分配，能较好的平衡球差、彗差、场曲，从而提高光学系统解像能力，获得高清图像。
[0067]
在本发明的一些实施例中，所述的光学系统满足以下关系式：
[0068]
vd1≥64.21；
[0069]
vd2≤20.88；
[0070]
vd3≥25.4；
[0071]
vd4≤60.37；
[0072]
vd5≤81.59；
[0073]
vd6≥23.79；
[0074]
vd7≤20.88；
[0075]
其中，vd1为第一透镜1的色散系数，vd2为第二透镜2的色散系数，vd3为第三透镜3的色散系数，vd4为第四透镜4的色散系数，vd5为第五透镜5的色散系数，vd6为第六透镜6的色散系数，vd7为第七透镜7的色散系数。
[0076]
由第三透镜3和第四透镜4凹凸配合而成的胶合镜片，且采用不同折射率和色散率的材料，有利于减小和消除系统的色差，由第五透镜5与第六透镜6构成粘合透镜，并采用高低色散材料互相搭配，校正系统色差，进一步提高镜头解像能力。而且本系统的第二透镜2、第三透镜3、第六透镜6、第七透镜7均采用高折射率低色散的材料，有利于校正系统像散，改善镜头的解像力。后组透镜采用多枚凹凸镜片搭配的形式，使各透镜的正负球差相互抵消，有利于减小系统球差，实现高分辨率的要求。
[0077]
在本发明的一些实施例中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7皆为玻璃球面透镜。
[0078]
玻璃材质，与塑胶材质相比，其在可见光波段的透过率更高，最终到达感光芯片上的光能损失较少，成像的通透性更好，玻璃材质的物理和化学稳定性远好于塑胶镜片，因此，在温度等条件变化时，玻璃材质光学参数的变化较塑胶材质要小很多，能更好地适用于各种恶劣环境中；同时玻璃材质不容易老化变形，使用寿命更长。
[0079]
在本发明的一些实施例中，通过尽量少地设置渐晕或者不设置渐晕，使周边视场光线尽可能多地通过镜头到达感光芯片表面，从而使得镜头获得较高的相对照度，保证像面亮度的整体均匀性和通透性。
[0080]
在本发明的一些实施例中，所述感光芯片8和第一透镜1之间设置有滤光片和保护玻璃。滤光片能过滤一部分长波和杂散光，防止感光芯片受到红外线的干扰，从而使图像像质清晰，色彩亮丽；保护玻璃可以保护感光芯片8，免受外力的直接破坏。
[0081]
在本发明的一些实施例中，低畸变光学系统的设计波段为435～656nm，系统焦距f
＝5.34mm，fno＝1.37，光学系统总长tl＝129.62mm.
[0082]
本实施例镜头具体参数如下表1所示：
[0083]
面编号半径r厚度折射率nd阿贝数vd物面infinityinfinity
‑‑
s1∞0.551.5164.21s2∞98.404
‑‑
s327.8031.6671.9220.88s4-723.63813.523
‑‑
s5-3.4721.0281.825.4s65.4054.000
‑‑
s7-4.3630.201.6260.37光阑infinity0.20
‑‑
s96.0913.6441.4981.59s10-4.0001.2571.8423.79s11-14.8460.100
‑‑
s123.8903.5931.9220.88s1320.4291.153
‑‑
s14∞0.251.4951.44s15∞0.05
‑‑
s16像面
‑‑‑
[0084]
表1
[0085]
在上表中，半径r、厚度及半口径的单位均为毫米；
[0086]
图2-图3为本发明实施例的光学畸变效果图，用来评价整个光学系统的畸变效果。从曲线图可以看出整个系统的光学畸变在-0.25％以内，且全视场的最大畸变只有-0.236％，畸变量较小，能最大限度的保证成像画面的真实性与完整性。图4为光学系统的相对照度曲线图，全视场相对照度为98％，高相对照度能保证整体画面亮度分布的均匀性，不容易造成画面暗角的情况出现。
[0087]
作为本发明的进一步扩展，本发明还包括第二方面实施例的一种显微镜，包括镜筒和安装于镜筒内的所述一体式显微光学系统。一体式显微光学系统通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配镜片光焦度、搭配不同材料，在实现高放大率的同时，满足了低畸变和高相对照度的要求。
[0088]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种一体式显微光学系统，其特征在于：包括自像侧至物侧依次设置且处于同一光轴的第一透镜(1)，其具有正光焦度；第二透镜(2)，其具有正光焦度且与第一透镜(1)间隔设置；第三透镜(3)，其具有负光焦度且与第二透镜(2)间隔设置；第四透镜(4)，其具有正光焦度且与第三透镜(3)组成粘合透镜；光阑(sto)，其与第四透镜(4)间隔设置并用于限制光束口径；第五透镜(5)，其具有正光焦度且与光阑(sto)间隔设置；第六透镜(6)，其具有负光焦度且与第五透镜(5)组成粘合透镜；第七透镜(7)，其具有正光焦度且与第六透镜(6)间隔设置；感光芯片(8)，其与第七透镜(7)间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。2.根据权利要求1所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，第一透镜(1)朝向物侧的一面为平面，朝向像侧的一面为平面；第二透镜(2)朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面；第三透镜(3)朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凹面；第四透镜(4)朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凸面；第五透镜(5)的两个面均为凸面；第六透镜(6)朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第七透镜(7)朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面。3.根据权利要求1或2所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，所述的光学系统满足以下关系式：1.5<f1/f<4；5<f2/f<6；-12<f
3-4
/f<-11；3<f
5-6
/f<4；0<f7/f<1；24<tl/f<25；其中，f为所述一体式显微光学系统的焦距，f1为第一透镜(1)的焦距，f2为第二透镜(2)的焦距，f
3-4
为第三透镜(3)和第四透镜(4)的组合焦距，f
5-6
为第五透镜(5)和第六透镜(6)的组合焦距，f7为第七透镜(7)的焦距，tl为所述一体式显微光学系统的总体长度。4.根据权利要求1或2所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，所述的光学系统满足以下关系式：nd1≥1.51；nd2≤1.92；nd3≥1.80；nd4≥1.62；nd5≥1.49；nd6≤1.84；nd7≥1.92；其中，nd1为第一透镜(1)的折射率，nd2为第二透镜(2)的折射率，nd3为第三透镜(3)的折射率，nd4为第四透镜(4)的折射率，nd5为第五透镜(5)的折射率，nd6为第六透镜(6)的折
射率，nd7为第七透镜(7)的折射率。5.根据权利要求1或2所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，所述的光学系统满足以下关系式：vd1≥64.21；vd2≤20.88；vd3≥25.4；vd4≤60.37；vd5≤81.59；vd6≥23.79；vd7≤20.88；其中，vd1为第一透镜(1)的色散系数，vd2为第二透镜(2)的色散系数，vd3为第三透镜(3)的色散系数，vd4为第四透镜(4)的色散系数，vd5为第五透镜(5)的色散系数，vd6为第六透镜(6)的色散系数，vd7为第七透镜(7)的色散系数。6.根据权利要求1或2所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)皆为玻璃球面透镜。7.根据权利要求1或2所述的所述的一种一体式显微光学系统，其特征在于，所述感光芯片(8)和第一透镜(1)之间设置有滤光片和保护玻璃。8.一种显微镜，其特征在于，包括镜筒和安装于镜筒内的如权利要求1-7任一所述的一体式显微光学系统。

技术总结
本发明公开了一种一体式显微光学系统，包括自像侧至物侧依次设置且处于同一光轴的：第一透镜，具有正光焦度；第二透镜，具有正光焦度且与第一透镜间隔设置；第三透镜，具有负光焦度且与第二透镜间隔设置；第四透镜，具有正光焦度且与第三透镜组成粘合透镜；光阑，与第四透镜间隔设置并用于限制光束口径；第五透镜，具有正光焦度且与光阑间隔设置；第六透镜，具有负光焦度且与第五透镜组成粘合透镜；第七透镜，具有正光焦度且与第六透镜间隔设置；感光芯片，其与第七透镜间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。本发明通过合理分配镜片光焦度、搭配不同材料，实现高放大率的同时，满足了低畸变和高相对照度的要求。低畸变和高相对照度的要求。低畸变和高相对照度的要求。


技术研发人员：向钰 罗吉祥 张勇 韦义壮
受保护的技术使用者：湖南长步道光学科技有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8