显微镜物镜仿真设计方法及20倍长工作距离显微镜物镜与流程

1.本发明涉及物理光学领域，尤其涉及一种显微镜物镜仿真设计方法及20倍长工作距离显微镜物镜。

背景技术：

2.显微镜作为观测微小物体的重要光学仪器，具有广泛的应用，且随着应用领域的不断拓展，对显微镜的要求也越来越高，尤其是要求显微镜物镜的工作距离长且同时具有良好的高分辨率等。一般来讲，显微镜物镜的工作距离长，往往难以获得全视场都比较好的光学分辨率；而光学分辨率较好的物镜往往工作距离比较小，操作性及工艺适应性比较差，使用不方便，用户只能根据应用需求选择较适配的物镜，而非满足使用需求的物镜。
3.因此，在获得较长的工作距离的同时具有全视场光学良好分辨率的显微镜物镜是亟待解决的问题。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种显微镜物镜仿真设计方法，可以根据此方法设计得到兼具较长的工作距离和全视场光学良好分辨率的显微镜物镜；并据此设计一种具有良好光学分辨率的20倍长工作距离的显微镜物镜。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种显微镜物镜仿真设计方法，包括以下步骤：
8.设计第一光学子模块，其包括按序排列的月牙正透镜、第一负透镜和第一双凸透镜，其中，所述第一负透镜的凹面与所述第一双凸透镜的其中一侧凸面贴合；
9.设计第二光学子模块，其包括至少一个第二负透镜和至少两个第二双凸透镜，至少其中一个第二双凸透镜的凸面与所述第二负透镜的凹面贴合；
10.设计第三光学子模块，其包括按序排列的正透镜和第一双凹透镜，其中，所述正透镜的凸面与所述第一双凹透镜的其中一侧凹面贴合；
11.按序将所述第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块沿着光轴排列，以使所述月牙正透镜的凹面面向物面、第一双凸透镜与第二光学子模块邻近设置、第二光学子模块与所述第三光学子模块的正透镜相对间隔设置，其中，所述第二光学子模块与所述正透镜的空气间隔距离与所述显微镜物镜的整体组合焦距的比值介于3至15之间；
12.以介于16至25倍长工作距离的显微镜物镜为目标，设计所述第一光学子模块、第二光学子模块、第三光学子模块的透镜的焦距、折射率、曲率半径、散系数中的一种或多种透镜光学参数，并仿真得到不同设计方案相应的mtf曲线，通过比较各个设计方案对应的
mtf曲线以确定显微镜物镜的较优设计方案。
13.进一步地，设计所述第二光学子模块如下：
14.所述第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二双凹透镜，两个第二双凸透镜分别与所述第二双凹透镜两侧的凹面贴合；或者，
15.所述第二光学子模块包括多组一一对应的第二双凸透镜和第二负透镜，同一组的第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜；或者，
16.所述第二光学子模块包括三个第二双凸透镜和两个第二负透镜，其中两个第二双凸透镜与两个第二负透镜一一对应形成胶合透镜，另一个第二双凸透镜的至少一个凸面与所述胶合透镜中的第二双凸透镜的凸面邻近设置；或者，
17.所述第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二负透镜，其中一个第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜，另一个第二双凸透镜设置在更靠近物面一侧，且两个第二双凸透镜邻近设置；
18.所述第二光学子模块包括三个第二双凸透镜、一个第二双凹透镜和一个凹透镜，其中两个第二双凸透镜分别与所述第二双凹透镜贴合形成胶合透镜，另一个第二双凸透镜与凹透镜贴合形成另一胶合透镜。
19.承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，进一步地，所述第一光学子模块的第一负透镜与第一双凸透镜为胶合透镜，设计所述第一光学子模块的透镜光学参数如下：
20.所述第一双凸透镜的散系数v
dp1
≥78；和/或，
21.所述第一光学子模块的组合焦距满足以下关系式：1.0≤f1/f≤4.2，其中，f1为第一光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
22.1.3≤r1/f≤5.2，其中，r1为第一负透镜与第一双凸透镜的胶合面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
[0023]vdp1-v
dm1
≥25，其中，v
dp1
为第一双凸透镜的散系数，v
dm1
为第一负透镜的散系数。
[0024]
承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，进一步地，设计所述月牙正透镜的光学参数如下：
[0025]
1.6≤f
l1
/f≤6.4，其中，f
l1
为所述月牙正透镜的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0026]
1.1≤-r0/d0≤4.6，其中，r0为所述月牙正透镜面向物面的凹面的曲率半径，d0为物面至所述月牙正透镜的物面侧镜面的距离；
[0027]
1.65≤n0≤2.1，其中，n0为所述月牙正透镜的折射率。
[0028]
承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，进一步地，设计所述第二光学子模块的透镜光学参数如下：
[0029]
所述第二光学子模块的组合焦距满足以下关系式：2.0≤f2/f≤8，其中，f2为第二光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
[0030]
所述第二负透镜面向物面的凹面为胶合透镜的胶合面，所述第二光学子模块的各透镜的靠近物面的外表面均为凸面，且所述第二光学子模块中最靠近像方的透镜的凸外表面的曲率半径r2满足关系式：1.4≤r2/f≤3.7，其中，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/
或，
[0031]vdp2-v
dm2
≥20，其中，v
dp2
为第二双凸透镜的散系数，v
dm2
为第二负透镜的散系数；和/或，
[0032]nm2
–np2
≥0.06，其中，n
m2
为第二负透镜的折射率，n
p2
为第二双凸透镜的折射率。
[0033]
承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，进一步地，设计所述第二光学子模块的透镜光学参数如下：
[0034]
1.1≤f
l2
/f≤5.5，其中，f l2
为第二光学子模块的第二双凸透镜的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0035]
至少两个第二双凸透镜的散系数v
dp2
≥78。
[0036]
承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，进一步地，所述第三光学子模块的正透镜与第一双凹透镜为胶合透镜，设计所述第三光学子模块的透镜光学参数如下：
[0037]
0.98≤-f3/f≤4，其中，f3为第三光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
[0038]
0.51≤r3/f≤2.2，其中，r3为所述第三光学子模块中最靠近像方的凹面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
[0039]np3
–nm3
≥0.18，其中，n
p3
为第三光学子模块的正透镜的折射率，n
m3
为所述第一双凹透镜的折射率；和/或，
[0040]vdm3-v
dp3
≥12，其中，v
dp3
为第三光学子模块的正透镜的散系数，v
dm3
为第一双凹透镜的散系数。
[0041]
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种20倍长工作距离显微镜物镜，所述显微镜物镜根据承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合所述的显微镜物镜仿真设计方法设计得到。
[0042]
进一步地，所述显微镜物镜的第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块的焦距满足以下关系式：1.75≤f1/f≤2.75，3.65≤f2/f≤4.75，1.3≤-f3/f≤2.5，其中，其中，f1为第一光学子模块的组合焦距，f2为第二光学子模块的组合焦距，f3为第三光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，
[0043]
所述第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块中透镜的散系数满足以下关系式：v
dp1-v
dm1
≥31，v
dp2-v
dm2
≥28，v
dm3-v
dp3
≥18，其中，v
dp1
为第一光学子模块的第一双凸透镜的散系数，v
dm1
为第一光学子模块的第一负透镜的散系数；v
dp2
为第二光学子模块的第二双凸透镜的散系数，v
dm2
为第二光学子模块的第二负透镜的散系数；v
dp3
为第三光学子模块的正透镜的散系数，v
dm3
为第三光学子模块的第一双凹透镜的散系数。
[0044]
进一步地，所述物镜的第一光学子模块的物面侧镜面至物面的距离d0满足以下关系式：1.1≤-r0/d0≤3.3，且0.8≤d0/f≤3.2，其中，r0为所述第一光学子模块的物面侧镜面的凹面曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0045]
第二光学子模块与第三光学子模块之间的空气间隔t
23
满足以下关系式：6≤t
23
/f≤12；
[0046]
所述物镜的物方数值孔径范围介于0.3与0.55之间。
[0047]
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
[0048]
a.提供了一种显微镜物镜仿真设计方法，可以确定成像质量指标接近理想状况下
的极限值时，对应的显微镜物镜参数；
[0049]
b.设计了一种20倍长工作距离显微镜物镜，该显微镜物镜工作距离比较大，操作性及工艺适应性好，且光学分辨率好。
[0050]
c.该显微镜物镜具备良好的加工性能和优异的成像性能，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明的一个示例性实施例提供的显微物镜系统的组成示意图；
[0053]
图2为本发明的一个示例性实施例提供的显微镜物镜的传递函数mtf图；
[0054]
图3为本发明的一个示例性实施例提供的包括两个第二双凸透镜和一个第二双凹透镜的第二光学子模块的组成示意图；
[0055]
图4为本发明的一个示例性实施例提供的包括多组一一对应的第二双凸透镜和第二负透镜的第二光学子模块的组成示意图；
[0056]
图5为图4所示实施例中一个第二负透镜为双负透镜的的第二光学子模块的组成示意图；
[0057]
图6为本发明的一个示例性实施例提供的包括三个第二双凸透镜和两个第二负透镜的第二光学子模块的组成示意图；
[0058]
图7为本发明的一个示例性实施例提供的包括两个第二双凸透镜和一个第二负透镜的第二光学子模块的组成示意图；
[0059]
图8为将图1所示实施例中的胶合透镜2调整至胶合透镜1左侧对应的第二光学子模块的组成示意图。
具体实施方式
[0060]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0061]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0062]
在本发明的一个实施例中，如图1，为本发明的一个示例性实施例提供的显微物镜
系统的组成示意图，提供了一种显微镜物镜仿真设计方法，包括以下步骤：
[0063]
一、设计包括三个子光学模块的显微镜物镜结构，具体如下：
[0064]
沿着光轴排列由物面至像面依次设计第一光学子模块g1、第二光学子模块g2和第三光学子模块g3，其中第二光学子模块g2与第三光学子模块g3相对间隔设置；
[0065]
所述第一光学子模块g1，包括由物面至像面按序排列的月牙正透镜l1、第一负透镜l2和第一双凸透镜l3，其中，所述月牙正透镜l1的凹面面向物面，所述第一负透镜l2的凹面与所述第一双凸透镜l3的其中一侧凸面贴合形成胶合透镜，所述第一双凸透镜l3与第二光学子模块g2邻近设置；
[0066]
所述设计第二光学子模块g2，包括三个第二双凸透镜l4、l6和l7，一个第二双凹透镜l5和一个凹透镜l8，其中两个第二双凸透镜l4和l6分别与所述第二双凹透镜l5贴合形成胶合透镜1，另一个第二双凸透镜l7与凹透镜l8贴合形成另一胶合透镜2，所述胶合透镜1较所述胶合透镜2更靠近物方。
[0067]
所述第三光学子模块g3，其包括按序排列的正透镜l9和第一双凹透镜l10，其中，所述正透镜l9的凸面与所述第一双凹透镜l10的其中一侧凹面贴合；
[0068]
设置所述第二光学子模块g2与第三光学子模块g3的空气间隔距离与所述显微镜物镜的整体组合焦距的比值介于3至15之间，即3≤t
23
/f≤15，其中，t
23
为第二光学子模块与第三光学子模块之间的空气间隔，f为显微镜物镜整体的组合焦距。在本发明的一个具体实施例中，t
23
/f＝9.31。
[0069]
二、以介于16至25倍长工作距离的显微镜物镜为目标，设计所述第一光学子模块g1、第二光学子模块g2、第三光学子模块g3的透镜的透镜光学参数，比如：焦距、折射率、曲率半径、散系数。
[0070]
在本实施例中，设计所述第一光学子模块g1的透镜光学参数如下：
[0071]
所述第一双凸透镜l3的散系数v
dp1
≥78；
[0072]
所述第一光学子模块g1的组合焦距满足以下关系式：1.0≤f1/f≤4.2，其中，f1为第一光学子模块g1的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0073]
1.3≤r1/f≤5.2，其中，r1为第一负透镜l2与第一双凸透镜l3的胶合面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0074]vdp1-v
dm1
≥25，其中，v
dp1
为第一双凸透镜l3的散系数，v
dm1
为第一负透镜l2的散系数。
[0075]
其中，所述月牙正透镜l1的光学参数进一步设计如下：
[0076]
1.6≤f
l1
/f≤6.4，其中，f
l1
为所述月牙正透镜l1的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0077]
1.1≤-r0/d0≤4.6，其中，r0为所述月牙正透镜l1面向物面的凹面的曲率半径，d0为物面至所述月牙正透镜l1的物面侧镜面的距离；
[0078]
1.65≤n0≤2.1，其中，n0为所述月牙正透镜l1的折射率。
[0079]
设计所述第二光学子模块g2的透镜光学参数如下：
[0080]
所述至少两个第二双凸透镜的散系数v
dp2
≥78；
[0081]
所述第二光学子模块g2的组合焦距满足以下关系式：2.0≤f2/f≤8，其中，f2为第二光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0082]
所述第二光学子模块g2的各透镜的靠近物面的外表面均为凸面，以图1为例，第二光学子模块g2中有两个透镜，左侧透镜即为第二双凸透镜l4、第二双凹透镜l5、第二双凸透镜l6胶合形成的胶合透镜1，右侧透镜即第二双凸透镜l7与凹透镜l8胶合形成的又一胶合透镜2；且所述第二光学子模块g2中最靠近像方的透镜的凸外表面的曲率半径r2满足关系式：1.4≤r2/f≤3.7，其中，f为显微镜物镜整体的组合焦距；在这个实施例中，第二光学子模块g2中最靠近像方的透镜为第二双凸透镜l7与凹透镜l8胶合形成的胶合透镜，曲率半径r2即指其凸外表面，即该胶合透镜在图1中的左侧凸面。
[0083]vdp2-v
dm2
≥20，其中，v
dp2
为第二双凸透镜(l4、l6和l7)的散系数，v
dm2
为第二双凹透镜l5的散系数；
[0084]nm2
–np2
≥0.06，其中，n
m2
为第二双凹透镜l5的折射率，n
p2
为第二双凸透镜(l4、l6和l7)的折射率；
[0085]
1.1≤f
l2
/f≤5.5，其中，f l2
为第二双凸透镜(l4、l6和l7)的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距。
[0086]
在该实施例中，设计所述第三光学子模块g3的透镜光学参数如下：
[0087]
0.98≤-f3/f≤4，其中，f3为第三光学子模块g3的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0088]
0.51≤r3/f≤2.2，其中，r3为所述第三光学子模块g3中最靠近像方的凹面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；
[0089]np3
–nm3
≥0.18，其中，n
p3
为第三光学子模块g3的正透镜l9的折射率，n
m3
为所述第一双凹透镜l10的折射率；
[0090]vdm3-v
dp3
≥12，其中，v
dp3
为第三光学子模块g3的正透镜l9的散系数，v
dm3
为第一双凹透镜l10的散系数。
[0091]
三、通过仿真得到不同设计方案相应的mtf(modulation transfer function)曲线，通过比较各个设计方案对应的mtf曲线以确定显微镜物镜的较优设计方案。
[0092]
通过调整参数多次仿真计算，设计了一种20倍长工作距离显微镜物镜，其结构如图1所示，通过调整其中光学子模块的光学参数设计，使得物镜的传递函数mtf图如图2所示，确定对应的设计方案为较优设计方案，具体如下：
[0093]
物镜的物方数值孔径为0.45，显微镜物镜整体的组合焦距f为10mm，工作距离d0即物面至所述月牙正透镜l1的物面侧镜面的距离为15.9mm，使用焦距200mm管镜的最大半像高hy＝12.5mm，显微镜物镜中所述第一光学子模块g1、第二光学子模块g2、第三光学子模块g3的各单透镜的特性参数如表1所示：
[0094]
表1
[0095][0096][0097]
上表中由物面至像面的序号为(1)至(15)的表面参见图1中从左往右的透镜的各个表面和胶合面。上表中的“厚度/间距”表示当前表面至相邻下一表面的距离，比如，表面(1)为月牙正透镜l1的左侧面，其相邻的下一表面为月牙正透镜l1的右侧面，表面(1)间距为3.192169mm，表示月牙正透镜l1的厚度为3.192169mm；再比如表面(5)的间距为0.2489306mm，表示第一双凸透镜l3的右侧面与第二双凸透镜l4的左侧面之间的间距为0.2489306mm，即第一光学子模块g1、第二光学子模块g2之间的空气距离为0.2489306mm。
[0098]
以及单表面特性参数与物镜整体焦距之间的比例关系如表2所示：
[0099]
表2
[0100]
f1/f2.07f2/f3.96-f3/f1.94d0/f1.59-r0/d02.30r1/f2.65r2/f1.87r3/f1.06fl1
/f3.15f
l2
/f2.50t
23
/f9.31
[0101]
对上述实施例中的显微镜物镜进行光学仿真模拟，如图2所示，为本发明的一个示例性实施例提供的显微镜物镜的传递函数mtf图，在光学系统的传递函数mtf图中，横轴为空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm)，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数mtf，是对镜头分辨率的一个定量描述。用调制度(modulation，简写m)表示反差的大小，设最大亮度为i
max
，最小亮度为i
min
，调制度m定义为：m＝(i
max-i
min
)/(i
max
+i
min
)。调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，此时的调制度等于0。对于原来调制度为m的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为m
ˊ
，则mtf函数值为：mtf值＝m
ˊ
/m。
[0102]
可以看出，mtf值必定介于0和1之间，并且越接近1，镜头的性能越好，如果镜头的mtf值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于mtf值，所以，mtf函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。
[0103]
衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。
[0104]
具有代表性的0视场，0.5视场和最大视场的mtf值已经非常接近衍射极限值，从图2所示的mtf曲线可以看出。如图2所示，衍射极限值如ts diff limit所示，可以看出，本发明可以在很宽的可见光光谱范围内，绝大部分视场上mtf值接近物理光学的衍射极限，即是成像质量指标接近理想状况下的极限值，说明成像质量非常好。
[0105]
在本发明的一个实施例中，与上述实施例中第二光学子模块g2的组成结构不同，本实施例中的第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二双凹透镜，如图3所示，所述一个第二双凹透镜设置于所述两个第二双凸透镜中间，且其两侧面均与所述两个第二双凸透镜的其中一侧凸面贴合，具体可以胶合形成一体透镜；
[0106]
在本发明的一个实施例中，与上述实施例中第二光学子模块g2的组成结构不同，本实施例中的第二光学子模块包括多组一一对应的第二双凸透镜和第二负透镜，如图4或图5所示，同一组的第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜；
[0107]
在本发明的一个实施例中，与上述实施例中第二光学子模块g2的组成结构不同，本实施例中的第二光学子模块包括三个第二双凸透镜和两个第二负透镜，如图6所示，其中两个第二双凸透镜与两个第二负透镜一一对应形成胶合透镜，且每个所述胶合透镜中均是所述第二双凸透镜较对应的所述第二负透镜更靠近物方，另一个第二双凸透镜的至少一个凸面与所述胶合透镜中的第二双凸透镜的凸面邻近设置，即另一个所述第二双凸透镜可以设置在两个所述胶合透镜之间，也可以像图6中设计在所述第二光学子模块中最靠近物方的一侧。
[0108]
在本发明的一个实施例中，与上述实施例中第二光学子模块g2的组成结构不同，本实施例中的第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二负透镜，如图7所示，其中一个第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜，另一个第二双凸透镜设置在更靠近物
面一侧，且两个第二双凸透镜邻近设置。
[0109]
在本发明的一个实施例中，与上述实施例中第二光学子模块g2的组成结构不同，本实施例中的第二光学子模块将第二双凸透镜l4、第二双凹透镜l5、第二双凸透镜l6胶合形成的胶合透镜1、第二双凸透镜l7与凹透镜l8胶合形成的胶合透镜2由上述实施例中的左右位置关系调整为胶合透镜2邻近设置在胶合透镜1的左侧，如图8所示。
[0110]
本发明中，所述第二光学子模块g2的设计方案包含但不限于以上所述方案，具体地说，所述第二光学子模块g2的设计满足以下条件即可：其包括至少一个负透镜和至少两个第二双凸透镜，至少其中一个第二双凸透镜的凸面与负透镜的凹面贴合，第二光学子模块g2中各个透镜面向物面的外表面为凸面。
[0111]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0112]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。

技术特征：

1.一种显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，包括以下步骤：设计第一光学子模块，其包括按序排列的月牙正透镜、第一负透镜和第一双凸透镜，其中，所述第一负透镜的凹面与所述第一双凸透镜的其中一侧凸面贴合；设计第二光学子模块，其包括至少一个第二负透镜和至少两个第二双凸透镜，至少其中一个第二双凸透镜的凸面与所述第二负透镜的凹面贴合；设计第三光学子模块，其包括按序排列的正透镜和第一双凹透镜，其中，所述正透镜的凸面与所述第一双凹透镜的其中一侧凹面贴合；按序将所述第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块沿着光轴排列，以使所述月牙正透镜的凹面面向物面、第一双凸透镜与第二光学子模块邻近设置、第二光学子模块与所述第三光学子模块的正透镜相对间隔设置，其中，所述第二光学子模块与所述正透镜的空气间隔距离与所述显微镜物镜的整体组合焦距的比值介于3至15之间；以介于16至25倍长工作距离的显微镜物镜为目标，设计所述第一光学子模块、第二光学子模块、第三光学子模块的透镜的焦距、折射率、曲率半径、散系数中的一种或多种透镜光学参数，并仿真得到不同设计方案相应的mtf曲线，通过比较各个设计方案对应的mtf曲线以确定显微镜物镜的较优设计方案。2.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，设计所述第二光学子模块如下：所述第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二双凹透镜，两个第二双凸透镜分别与所述第二双凹透镜两侧的凹面贴合；或者，所述第二光学子模块包括多组一一对应的第二双凸透镜和第二负透镜，同一组的第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜；或者，所述第二光学子模块包括三个第二双凸透镜和两个第二负透镜，其中两个第二双凸透镜与两个第二负透镜一一对应形成胶合透镜，另一个第二双凸透镜的至少一个凸面与所述胶合透镜中的第二双凸透镜的凸面邻近设置；或者，所述第二光学子模块包括两个第二双凸透镜和一个第二负透镜，其中一个第二双凸透镜与第二负透镜胶合形成一体透镜，另一个第二双凸透镜设置在更靠近物面一侧，且两个第二双凸透镜邻近设置；所述第二光学子模块包括三个第二双凸透镜、一个第二双凹透镜和一个凹透镜，其中两个第二双凸透镜分别与所述第二双凹透镜贴合形成胶合透镜，另一个第二双凸透镜与凹透镜贴合形成另一胶合透镜。3.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，所述第一光学子模块的第一负透镜与第一双凸透镜为胶合透镜，设计所述第一光学子模块的透镜光学参数如下：所述第一双凸透镜的散系数v
dp1
≥78；和/或，所述第一光学子模块的组合焦距满足以下关系式：1.0≤f1/f≤4.2，其中，f1为第一光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，1.3≤r1/f≤5.2，其中，r1为第一负透镜与第一双凸透镜的胶合面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，v
dp1-v
dm1
≥25，其中，v
dp1
为第一双凸透镜的散系数，v
dm1
为第一负透镜的散系数。
4.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，设计所述月牙正透镜的光学参数如下：1.6≤f
l1
/f≤6.4，其中，f
l1
为所述月牙正透镜的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；1.1≤-r0/d0≤4.6，其中，r0为所述月牙正透镜面向物面的凹面的曲率半径，d0为物面至所述月牙正透镜的物面侧镜面的距离；1.65≤n0≤2.1，其中，n0为所述月牙正透镜的折射率。5.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，设计所述第二光学子模块的透镜光学参数如下：所述第二光学子模块的组合焦距满足以下关系式：2.0≤f2/f≤8，其中，f2为第二光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，所述第二负透镜面向物面的凹面为胶合透镜的胶合面，所述第二光学子模块的各透镜的靠近物面的外表面均为凸面，且所述第二光学子模块中最靠近像方的透镜的凸外表面的曲率半径r2满足关系式：1.4≤r2/f≤3.7，其中，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，v
dp2-v
dm2
≥20，其中，v
dp2
为第二双凸透镜的散系数，v
dm2
为第二负透镜的散系数；和/或，n
m2
–
n
p2
≥0.06，其中，n
m2
为第二负透镜的折射率，n
p2
为第二双凸透镜的折射率。6.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，设计所述第二光学子模块的透镜光学参数如下：1.1≤f
l2
/f≤5.5，其中，f
l2
为第二光学子模块的第二双凸透镜的焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；至少两个第二双凸透镜的散系数v
dp2
≥78。7.根据权利要求1所述的显微镜物镜仿真设计方法，其特征在于，所述第三光学子模块的正透镜与第一双凹透镜为胶合透镜，设计所述第三光学子模块的透镜光学参数如下：0.98≤-f3/f≤4，其中，f3为第三光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，0.51≤r3/f≤2.2，其中，r3为所述第三光学子模块中最靠近像方的凹面的曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，n
p3
–
n
m3
≥0.18，其中，n
p3
为第三光学子模块的正透镜的折射率，n
m3
为所述第一双凹透镜的折射率；和/或，v
dm3-v
dp3
≥12，其中，v
dp3
为第三光学子模块的正透镜的散系数，v
dm3
为第一双凹透镜的散系数。8.一种显微镜物镜，其特征在于，利用如权利要求1至7中任一项所述的显微镜物镜仿真设计方法设计得到。9.根据权利要求8所述的显微镜物镜，其特征在于，所述物镜的第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块的焦距满足以下关系式：1.75≤f1/f≤2.75，3.65≤f2/f≤4.75，1.3≤-f3/f≤2.5，其中，其中，f1为第一光学子模块的组合焦距，f2为第二光学子模块的组合焦距，f3为第三光学子模块的组合焦距，f为显微镜物镜整体的组合焦距；和/或，所述第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块中透镜的散系数满足以下关系式：v
dp1-v
dm1
≥31，v
dp2-v
dm2
≥28，v
dm3-v
dp3
≥18，其中，v
dp1
为第一光学子模块的第一双凸
透镜的散系数，v
dm1
为第一光学子模块的第一负透镜的散系数；v
dp2
为第二光学子模块的第二双凸透镜的散系数，v
dm2
为第二光学子模块的第二负透镜的散系数；v
dp3
为第三光学子模块的正透镜的散系数，v
dm3
为第三光学子模块的第一双凹透镜的散系数。10.根据权利要求8所述的显微镜物镜，其特征在于，所述物镜的第一光学子模块的物面侧镜面至物面的距离d0满足以下关系式：1.1≤-r0/d0≤3.3，且0.8≤d0/f≤3.2，其中，r0为所述第一光学子模块的物面侧镜面的凹面曲率半径，f为显微镜物镜整体的组合焦距；第二光学子模块与第三光学子模块之间的空气间隔t
23
满足以下关系式：6≤t
23
/f≤12；所述物镜的物方数值孔径范围介于0.3与0.55之间。

技术总结

本发明公开了一种显微镜物镜仿真设计方法及20倍长工作距离显微镜物镜，设计方法包括：以介于16至25倍长工作距离的显微镜物镜为目标，设计沿光轴依次排列的第一光学子模块、第二光学子模块和第三光学子模块的透镜的焦距、折射率、曲率半径、散系数中的一种或多种透镜光学参数，并仿真得到不同设计方案相应的MTF曲线，通过比较各个设计方案对应的MTF曲线以确定显微镜物镜的较优设计方案。本发明可以通过仿真确定成像质量指标接近理想状况下的极限值时，对应符合需求的显微镜物镜参数，并据此设计了一种20倍长工作距离显微镜物镜，其满足较长的工作距离的同时具有全视场光学良好的分辨率。好的分辨率。好的分辨率。