CN121232426A - 并行扫描共聚焦显微系统 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种并行扫描共聚焦显微系统，管镜在沿着共聚焦显微镜的光轴由物侧至光源侧依次包括具有正光焦度的第一透镜组、具有负光焦度的第二透镜组、具有正光焦度的第三透镜组。本公开结合像差设计理论、光焦度分配合理原则及公差设计理念，对管镜的光学系统进行参数修改和优化设计，通过合理的光学结构设置，使得共聚焦显微镜的照明光路和检测成像光路可以共用管镜，物镜和管镜之间的平行光光路可扩展其他光路部件，通过采用消像差设计，保证显微系统在可见光范围内成像清晰，画面两侧清晰度均匀对称，同时优化了各透镜的排列方式及外形结构，使管镜的光学系统具有装配简单、容差性能好的特点。

Description

并行扫描共聚焦显微系统

本申请是申请日为2022年8月26日、申请号为2022110300204、发明名称为共聚焦显微镜的管镜的光学系统的专利申请的分案申请。

技术领域

本公开大体涉及一种智能制造装备产业，具体涉及一种并行扫描共聚焦显微系统。

背景技术

随着近年来显微技术的不断发展，共聚焦显微技术已成为光学显微领域重要技术之一，其具有高精度、高分辨率、非接触和独特的轴向层析扫描成像特点，可轻松实现三维图像重构，在微纳检测、精密测量和生命科学研究等领域得到了广泛的应用。但是传统的共焦显微镜具有成像速度慢、视场小的缺点。并行扫描共聚焦显微技术的出现提高了原有单点共聚焦测量的测量速度。

在共聚焦显微镜中，根据功能的不同，通常可以将共聚焦显微镜的光学系统分为照明光路和检测成像光路。照明光路是将光源发出的光经过共聚焦显微镜的光学系统照射在被测物品面；检测成像光路是通过聚焦成像光学系统，将物镜焦平面处的被测样品反射回来的光束聚焦成像在探测器上。

在并行扫描共聚焦显微镜中，为了提升光学性能，照明光路与检测成像光路需要共用针孔扫描系统，以提升光学性能，此时需要将管镜设置于物镜和分光镜之间的光路中，也即照明光路与检测成像光路都会经过管镜，此时，现有的管镜无法同时满足检测成像光路和照明光路的需求，也即无法满足并行扫描共聚焦显微镜的光路需求的。

发明内容

本公开有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统，在并行扫描共聚焦显微系统中，可实现照明光路与检测成像光路共用管镜的双光路需求。

为此，本公开提供一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统，所述共聚焦显微镜在沿着所述共聚焦显微镜的光轴由物侧至光源侧依次包括物镜、所述管镜、转盘，其特征在于：所述管镜在沿着所述共聚焦显微镜的光轴由物侧至光源侧依次包括具有正光焦度的第一透镜组、具有负光焦度的第二透镜组、具有正光焦度的第三透镜组；所述第一透镜组与所述物镜的像后焦平面在光轴上的间隔设为第一距离；所述第二透镜组与所述第三透镜组在光轴上的间隔设为第二距离；所述光源位置与所述转盘在光轴上的最小的间隔设为第三距离；所述第一距离与所述管镜的焦距的比值的绝对值在第一预设范围内；所述第三距离、所述第三透镜组的焦距和所述第二距离之间满足以下条件：，其中L3代表所述第三距离，F3代表所述第三透镜组的焦距，L2代表所述第二距离；所述第一透镜组的焦距与所述管镜的焦距的比值的绝对值在第二预设范围内。在这种情况下，本公开给出了所述管镜在共聚焦显微镜系统中的适当位置，保证显微镜整体的纵向高度尺寸在合理范围的同时，使得所述管镜与所述物镜之间具有扩展光学元件的空间。同时，确保照明光路的光线经所述管镜聚焦在所述物镜的像后焦平面上，从而照明光路经过所述物镜后，是以平行光形式均匀照射在被测物品面。并通过对各个透镜组的光焦度进行合理分配，从而满足消像差要求和保证成像质量。由此，使得共聚焦显微镜的照明光路和检测成像光路可以共用所述管镜，可实现照明光路与检测成像光路共用所述管镜的双光路需求。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第一透镜组包括至少一个第一透镜。在这种情况下，能够利用至少一个第一透镜配合形成特定的光焦度，不仅能够降低第一透镜组中每一个第一透镜所承担的光焦度，还能使第一透镜配合形成的光焦度满足设计需求。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第二透镜组包括双胶合透镜，所述双胶合透镜包括正光焦度的第二透镜和负光焦度的第三透镜，所述双胶合透镜面向所述物镜的一面为凸面。在这种情况下，由于双胶合透镜是把低折射率的正光焦度透镜和高折射率的负光焦度透镜粘接而成的消色差透镜，在设计时，针对蓝色，绿色和红色三个波长，对分散的不同光线波长值及透镜形状进行优化，在整个可见光谱区焦距几乎不变，实现尽可能小的色差。除色差外，球差也得到了良好地校正。由此，所述第二透镜组可在整个可见光区域使用，具有较小的色差和球差。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第二透镜组中的所述第二透镜的焦距大于等于40mm，小于等于100mm；所述第二透镜组中的所述第三透镜的焦距大于等于负50mm，小于等于负20mm。在这种情况下，由于所述第二透镜组由一个正光焦度透镜和一个负光焦度透镜组成“正负”结构，因此所述第二透镜组具有负光焦度，符合本实施方式所涉及的管镜的光学系统的初始结构要求，并且有助于系统色差校正。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第二透镜的材料折射率大于等于1.5且小于等于1.6，所述第二透镜的阿贝系数大于等于60且小于等于70；所述第三透镜的材料折射率大于等于1.6且小于等于1.7，所述第三透镜的阿贝系数大于等于30且小于等于50。在这种情况下，所述第二透镜和所述第三透镜的材料折射率和阿贝系数具有一定的差值，由此，有利于系统色差校正。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第一预设范围大于0.5且小于1.0。在这种情况下，当所述第一距离与所述管镜的焦距的比值的绝对值大于等于第一预设范围的上限，显微镜整体结构会变的较长，影响整个系统的纵向高度；当所述第一距离与所述管镜的焦距的比值的绝对值小于等于第一预设范围的下限，所述管镜与所述物镜的距离过短，不便于插入其他扩展光学元件，所述管镜的作用及功能受到限制，由此，本实施方式规定了所述管镜在共聚焦显微镜系统中的适当位置，在满足所述管镜与所述物镜具有扩展光学元件空间的同时，兼顾了显微镜整体的纵向高度尺寸。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第三透镜组包括一个远离所述光源的第四透镜和一个靠近所述光源的第五透镜。在这种情况下，能够利用第四透镜和第五透镜配合形成特定的光焦度，能够使得第三透镜组中的透镜承担的合理的光焦度，进而能够有利于系统像差校正。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第四透镜的焦距与所述第五透镜的焦距的比值在第三预设范围内，所述第三预设范围大于等于1且小于等于2。在这种情况下，所述第三透镜组中所述第四透镜与所述第五透镜分别承担合理的光焦度，由此，可以避免所述第三透镜组中所述第四透镜与所述第五透镜之间的光焦度分配不均匀而加大系统像差。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述第二预设范围大于0.5且小于1。由此，所述第一透镜组在所述管镜的光学系统中承担合理的光焦度。

另外，在本实施方式所涉及的管镜的光学系统中，可选地，所述管镜的光学系统配置为将光源发出的光线聚焦在所述物镜的像后焦平面，并配置为接收所述物镜所出射的平行光。在这种情况下，管镜能够在照明光路中将光线聚焦在所述物镜的像后焦平面以实现物面的均匀照射，并且管镜能够在检测成像光路中接收无限远共轭像物镜所出射的平行光并聚焦成像至转盘的针孔。

根据本公开，能够提供一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统，在并行扫描共聚焦显微系统中，可实现照明光路与检测成像光路共用管镜的双光路需求。

附图说明

图1是示出了本实施方式示例所涉及的管镜的照明光路的示意图。

图2是示出了本实施方式示例所涉及的管镜的检测成像光路示意图。

图3是示出了本实施方式示例所涉及的第一距离、第二距离和第三距离示意图。

图4是示出了本实施方式示例所涉及的管镜中透镜组排列示意图。

图5是示出了实施例1所涉及的管镜的光学系统的点列图。

图6是示出了实施例1所涉及的管镜的光学系统的调制函数图。

图7是示出了实施例2所涉及的管镜的照明光路的示意图。

图8是示出了实施例2所涉及的管镜的检测成像光路示意图。

图9是示出了实施例2所涉及的第一距离、第二距离和第三距离示意图。

图10是示出了实施例2所涉及的管镜中透镜组排列示意图。

图11是示出了实施例2所涉及的管镜的光学系统的点列图。

图12是示出了实施例2所涉及的管镜的光学系统的调制函数图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，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、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

本公开的实施方式提出了一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统，在并行扫描共聚焦显微系统中，可实现照明光路与检测成像光路共用管镜的双光路需求。

本发明根据所需要的管镜的光学特性，首先选定共聚焦显微镜的管镜的初始结构，该初始结构为三片式成像（库克三片式成像）系统，在负光焦度透镜组两边分别设置一个正光焦度透镜组，结合像差设计理论、光焦度分配合理原则及公差设计理念，对选择的初始结构进行参数修改和优化设计，由此得到一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统。

光焦度可以等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，光焦度可以用于表征光学系统偏折光线的能力。光焦度可以为像方折射率与像焦距的比值或物方折射率与物焦距的比值。

在并行扫描共聚焦显微系统中，管镜可以与物镜配合使用，通过合理的光学结构设置，使得照明光路和检测成像光路可以共用管镜，可实现照明光路与检测成像光路共用管镜的双光路需求。在照明光路中，管镜可将光线聚焦在物镜像后焦平面，实现物面的均匀照明，在检测成像光路中，管镜承接物镜所出射的平行光，物镜和管镜之间的平行光光路可扩展其他光路部件，例如滤光片、分光棱镜、偏振片等，并且能够保证显微成像质量，使得显微镜的配置更加灵活，同时有效控制了显微镜的体积。改变物镜与管镜间的间隔，也不会对显微镜整体的光学系统造成影响，也不改变放大倍率，不会对光学系统造成影响，同时根据不同的设计需求，可以通过更换不同焦距的物镜构建合适放大倍率与工作距离的光学系统。由于并行共聚焦显微镜的特性，本公开针对并行共聚焦显微镜中转盘引入的像差，优化管镜各透镜参数，采用消像差设计，保证显微系统在可见光范围内成像清晰，画面两侧清晰度均匀对称。本公开优化了各透镜的排列方式及外形结构，使管镜的光学系统具由合理的光焦度分配、合理的公差范围，从而具备方便装配、容差性能好的特点。

在一些示例中，本公开所涉及的并行共聚焦显微镜也可以称为共聚焦显微镜或显微镜。

以下，结合附图，对本实施方式所涉及的管镜的光学系统进行详细说明。

图1是示出了本实施方式示例所涉及的管镜2的照明光路的示意图，图2是示出了本实施方式示例所涉及的管镜2的检测成像光路示意图，图3是示出了本实施方式示例所涉及的第一距离L1、第二距离L2和第三距离L3示意图，图4是示出了本实施方式示例所涉及的管镜2中透镜组排列示意图。

本公开是根据所需要的管镜2的光学特性，选定共聚焦显微镜的管镜2的初始结构，结合像差设计理论、光焦度分配合理原则及公差设计理念，对选择的初始结构进行参数修改和优化设计，由此得到一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统。以下首先对管镜2中，各个透镜组的组成部分进行介绍，其次介绍了管镜2中各透镜组结构参数需要满足的条件。最后提供了两个实施例的具体数据来说明管镜的光学系统的成像效果。

在一些示例中，共聚焦显微镜在沿着光轴由物侧至光源侧可以依次包括物镜1、管镜2、转盘3、分光镜4，管镜2在沿着共聚焦显微镜的光轴由物侧至光源侧可以依次包括具有正光焦度的第一透镜组TG1、具有负光焦度的第二透镜组TG2、具有正光焦度的第三透镜组TG3。在这种情况下，该初始结构为三片式成像（库克三片式成像）系统，在负光焦度透镜组两边分别设置一个正光焦度透镜组。由此，这种结构有足够的自由度来校正系统的像差。

在一些示例中，还可以通过PW方法确定光学设计的初始结构。

在一些示例中，物镜1可以是无限远共轭显微物镜，在这种情况下，从被测样品散射出的光经过物镜1后呈平行光束，通过管镜2在转盘3的S10面聚焦成像，这种设计即使改变物镜1与管镜2之间的间隔，也不会对显微镜整体的光学系统造成影响，也不改变放大倍率，不会对光学系统造成影响，同时根据不同的设计需求，可以通过更换不同焦距的物镜1构建合适放大倍率与工作距离的光学系统，另外方便在物镜1与管镜2之间扩展其他光路部件，例如滤光片、分光棱镜、偏振片等，并且能够保证显微成像质量，由此，使得显微镜的配置更加灵活，同时有效控制了显微镜的体积。在一些示例中，可扩展其他光路部件包括滤光片、分光棱镜、偏振片中的任一种或多种组合。

在一些示例中，第一透镜组TG1可以包括至少一个第一透镜210。在一些示例中，第一透镜组TG1可以包括多个第一透镜210。在一些示例，多个第一透镜210可以包括多个正光焦度的第一透镜210和多个负光焦度的第一透镜210。

在一些示例中，第一透镜210可以双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜。

在一些示例中，第一透镜210可以为平凸透镜或凹凸透镜时，其凸面S1可以靠近物镜1侧。

在一些示例中，优选地，第一透镜210可以是一个正光焦度平凸单透镜210，其凸面S1靠近物镜1侧。在这种情况下，平凸外形设计有利于管镜2装配。

在一些示例中，第二透镜组TG2可以包括负光焦度的第三透镜221。在这种情况下，能够利用负光焦度的第三透镜221配合第一透镜组TG1和第三透镜组TG3形成三片式成像系统。

在一些示例中，第二透镜组TG2可以包括正光焦度的第二透镜220和负光焦度的第三透镜221。在一些示例中，第二透镜组TG2可以包括双胶合透镜，双胶合透镜可以包括正光焦度的第二透镜220和负光焦度的第三透镜221。

在一些示例中，双胶合透镜面向物镜1的面S3可以为凸面。

在一些示例中，第二透镜220可以是正光焦度双凸单透镜，第三透镜221可以是双凹透镜。在这种情况下，双胶合透镜是一种把低折射率的正光焦度透镜和高折射率的负光焦度透镜粘接而成的消色差透镜。设计时，针对蓝色，绿色和红色三个波长，对分散的不同波长值及透镜形状进行优化，在整个可见光谱区焦距几乎不变，实现尽可能小的色差。除色差外，球差也得到了良好地校正。由此，第二透镜组可在整个可见光区域使用，具有较小的色差和球差。

在一些示例中，第二透镜组TG2中的第二透镜220的焦距可以大于等于40mm，小于等于100mm；第二透镜组TG2中的第三透镜221的焦距可以大于等于负50mm，小于等于负20mm。在这种情况下，第二透镜组TG2由一个正光焦度透镜和一个负光焦度透镜组成“正负”结构，由此，第二透镜组TG2能够具有负光焦度，符合本实施方式所涉及的管镜2的光学系统的初始结构要求，并且有助于系统色差校正。

需要说明的是，第二透镜组TG2中的第二透镜220的焦距也可以略小于40mm或略大于等于100mm，此时第三透镜221的焦距可以适应性地调整，换言之，第二透镜220的焦距可以与第三透镜221的焦距相配合以使第二透镜组TG2形成特定的光焦度。

在一些示例中，第二透镜220的材料折射率可以大于等于1.5且小于等于1.6，，第二透镜220的阿贝系数大于等于60且小于等于70；第三透镜221的材料折射率可以大于等于1.6且小于等于1.7，第三透镜221阿贝系数大于等于30且小于等于50。在这种情况下，第二透镜220和第三透镜221的材料折射率和阿贝系数具有一定的差值，由此，有利于系统色差校正。

需要说明的是，第二透镜组TG2中的第二透镜220的材料折射率也可以略小于1.5或略大于等于1.6，此时第三透镜221的材料折射率可以适应性地调整，换言之，第二透镜220的材料折射率可以与第三透镜221的材料折射率相配合以使第二透镜组形成特定的光焦度。

需要说明的是，第二透镜组TG2中的第二透镜220的阿贝系数也可以略小于60或略大于等于70，此时第三透镜221的阿贝系数可以适应性地调整，换言之，第二透镜220的阿贝系数可以与第三透镜221的阿贝系数相配合以使第二透镜组TG2具备系统色差校正功能。

在一些示例中，第三透镜组TG3可以包括一个正光焦度的透镜。

在一些示例中，第三透镜组TG3也可以包括多个透镜，在这种情况下，由于第三透镜组TG3包括多个透镜，管镜2的光学系统具有多个自由度，由此，有利于在多个透镜之间合理分配光焦度，以便系统像差校正。

在一些示例中，优选地，第三透镜组TG3可以包括一个远离光源的第四透镜230和一个靠近光源的第五透镜231。

在一些示例中，第四透镜230可以是平凸透镜、双凸透镜、或凹凸透镜等符合预设光焦度设计要求的透镜类型。

在一些示例中，第五透镜231也可以是平凸透镜、双凸透镜、或凹凸透镜等符合预设光焦度设计要求的透镜类型。

在一些示例中，可以使用间隔环固定第一透镜组TG1中的透镜。

在一些示例中，可以使用间隔环固定第二透镜组TG2中的透镜。

在一些示例中，第四透镜230与第五透镜231之间可以设置有间隔环。在这种情况下，有利于使用间隔环将第四透镜230与第五透镜231固定。

在一些示例中，第一透镜组TG1和物镜1的像后焦平面之间可以设置有扩展光学元件。在一些示例中，扩展光学元件可以包括滤光片、分光棱镜、偏振片中任一种或者多种的组合。由此，在不影响光学系统的条件下，可以扩展并行共聚焦显微系统的功能，同时有效控制了并行共聚焦显微镜的体积。

为了满足管镜2的光学系统设计需求，管镜2的各个透镜组及各个组成透镜的结构参数需要满足预设的要求，为了方便说明管镜2的结构参数及各参数之间的条件关系，本公开定义了第一距离L1、第二距离L2和第三距离L3。参见图3和图4，第一透镜组TG1与物镜1的像后焦平面在光轴上的间隔设为第一距离L1，参见图3，也就是说第一距离L1是指第一透镜210的面S1的顶点到物镜1的像后焦平面的距离。第二透镜组TG2与第三透镜组TG3在光轴上的间隔设为第二距离L2，也就是说第二距离L2是指第二透镜组TG2与第三透镜组TG3之间相邻的两个透镜曲面顶点之间的距离，也就是图3所示的第三透镜220的面S4的顶点和第四透镜230的面S5的顶点之间的距离；光源位置12与转盘3在光轴上的最小的间隔设为第三距离L3，该光源位置位置就是图3中的位置12的位置，沿光轴，该位置12到转盘3的S10面的距离就是第三距离L3。

在一些示例中，位置12也可以是光源的聚焦成像的位置。

另外，在本实施方式中，第一透镜组TG1的焦距以F1表示，第二透镜组TG2的焦距以F2表示，第三透镜组TG3的焦距以F3表示。管镜2的焦距以F表示。

在一些示例中，如上所述，第一距离L1与管镜2的焦距F的比值的绝对值在第一预设范围内。

在一些示例中，第一预设范围可以大于0.5。

在一些示例中，第一预设范围的下限可以与需要在管镜2和物镜1之间设置的扩展部件相关。例如，如果扩展部件所占据的空间越大，第一预设范围的下限值可以越高。

在一些示例中，第一预设范围可以小于1.0。

在一些示例中，第一预设范围的上限可以与并行共聚焦显微镜的管镜2的长度相关，例如，管镜2的长度越长，第一预设范围的上限值可以越高。

在一些示例中，第一预设范围可以为大于0.4且小于0.9，优选地，第一预设范围可以大于0.5且小于1.0。由此，本公开可以使管镜2在共聚焦显微镜系统中的具有适当的位置，在满足管镜2与物镜1具有扩展光学元件空间的同时，兼顾了显微镜整体的纵向高度尺寸。

在一些示例中，第三距离L3、第三透镜组的焦距F3和第二距离L2之间需要满足以下条件：，在这种情况下，如果第三距离L3、第三透镜组的焦距F3和第二距离L2之间关系不满足上述条件时，则照明光路的光线汇聚在管镜2内部，照明光路的光线无法经管镜2聚焦在物镜1的像后焦平面上，从而照明光路经过物镜1后，不能以平行光形式均匀照射在被测物品面，由此本公开能够使得照明光路的光线经管镜2聚焦在物镜1的像后焦平面上，从而照明光路经过物镜1后，是以平行光形式均匀照射在被测物品面。

在一些示例中，第一透镜组TG1的焦距F1与管镜2的焦距F的比值的绝对值在第二预设范围内。

在一些示例中，第二预设范围可以大于0.5。

在一些示例中，第二预设范围可以小于1.0。

在一些示例中，第二预设范围的上限和下限可以与第一透镜组TG1承担的光焦度有关，例如当第一透镜组TG1承担的光焦度过大时，会加剧系统像差，成像质量下降，在这种情况下，需要调高第二预设范围的下限。在一些示例中，当第一透镜组TG1承担的光焦度过小时，会影响管镜2中其他的透镜组的光焦度分配，会导致整个管镜2的光学系统光焦度分配设计的复杂度，在这种情况下，需要调低第二预设范围的上限。

在一些示例中，第二预设范围可以为大于0.75且小于0.98，优选地，第二预设范围可以大于0.5且小于1.0。由此，在管镜2的光学系统中，通过对各个透镜组的光焦度进行合理分配，从而满足管镜2的消像差要求和保证成像质量，并且管镜2具有合理的公差，方便装配，提升管镜2的容差性能。

在一些示例中，第四透镜230的焦距F30与第五透镜231的焦距的F31比值在第三预设范围内。

在一些示例中，第三预设范围可以大于等于1。在一些示例中，第三预设范围可以小于等于2。

在一些示例中，优选地，第三预设范围大于等于1且小于等于2。在这种情况下，第三透镜组TG3中第四透镜230与第五透镜231分别承担合理的光焦度，由此，可以避免第四透镜230与第五透镜231之间的光焦度分配不均匀而加大系统像差。

在本实施示例中，光源照明光线经分光镜4后入射至平板玻璃转盘3的S10面，透过平板玻璃转盘3，照明光线再依次透过第五透镜231、第四透镜230、第三透镜221、第二透镜220、第一透镜210，最终聚焦在无限远共轭显微物镜1的像后焦平面上，照明光线以近平行光形式均匀照射在被测样品表面，被测样品所在面是无限远共轭显微物镜1的物方焦平面；照明光线经样品表面反射后再次进入无限远共轭显微物镜1，位于无限远共轭显微物镜1物方焦平面上的反射光线经无限远共轭显微物镜1后射出为平行光，平行光入射进入管镜2，依次经过第一透镜210、第二透镜220、第三透镜221、第四透镜230、第五透镜231、平板玻璃转盘3，在平板玻璃转盘3的S10面聚焦成像。

在实施例1中，在光轴上，光源位置12距离转盘3的S10面的距离是89.566mm处，即第三距离L3是89.566mm。

在实施例1中，转盘3可以是厚度2mm的平板玻璃，转盘3的中心轴与管镜2光轴夹角可以为10°，转盘3的中心到光轴的距离可以是15mm。

在实施例1中，管镜2焦距可以为120mm。管镜2的入瞳直径可以为20mm；管镜2可匹配放大倍数是10X至100X的无限远共轭显微物镜1。

在实施例1中，管镜2的第一透镜210最靠近物方侧的透镜面S1顶点与无限远共轭显微物镜1的像后焦平面的距离，即第一距离L1可以为90.435mm。

在实施例1中，第二距离L2可以为96.48mm。

在实施例1中的各透镜的面编号、表面类型、曲率半径、厚度（面间隔）、波长0.588μm的折射率、阿贝系数及透镜编号如表1所示。曲率半径、厚度（面间隔）及其他长度的单位一般使用“mm”。

表1实施例1透镜参数

表2实施例1的条件数值

其中第一距离L1、第二距离L2、第三距离L3、第一预设范围、第二预设范围、第三预设范围、第一透镜组TG1、第二透镜组TG2、第三透镜组TG3、第四透镜230、第五透镜231的说明，可以参见前述。

第一透镜组TG1的焦距以F1表示、第二透镜组TG2的焦距以F2表示、第三透镜组TG3的焦距以F3表示、第四透镜230的焦距以F30表示，第五透镜231的焦距以F31表示，管镜2的焦距以F表示。

如表2所示，在上述实施例1中，管镜2的光学系统满足本发明公开的管镜2的光学系统设计条件。

图5是示出了实施例1所涉及的管镜2的光学系统的点列图。参见图5，光斑集中在艾里斑范围内，能量集中度很高，本实施例1的管镜2的光学系统成像结果比较理想。

图6是示出了实施例1所涉及的管镜2的光学系统的调制函数图。参见图6，管镜2的光学系统在低频段具有较好的分辨率和对比度，成像质量很好，但随着空间频率的提高，它的衰减过程很慢，说明该管镜2的像质是符合要求的，图6中MTF1曲线是衍射极限图，表示无像差的条件下，管镜2的光学系统所能达到最好的对比度，由图6可以看出，MTF曲线接近衍射极限，光学传输效率很高，说明实施例1的管镜2的光学系统的优化结果比较理想。

图7是示出了实施例2所涉及的管镜2的照明光路的示意图，图8是示出了实施例2所涉及的管镜2的检测成像光路示意图，图9是示出了实施例2所涉及的第一距离L1、第二距离L2和第三距离L3示意图，图10是示出了实施例2所涉及的管镜2中透镜组排列示意图。

在实施例2中，在光轴上，光源位置12距离转盘3的S10面的距离是89.566mm处，即第三距离L3是89.566mm。

在实施例2中，转盘3可以是厚度2mm的平板玻璃，转盘3的中心轴与管镜2光轴夹角可以为10°，转盘3的中心到光轴的距离可以是15mm。

在实施例2中，管镜2焦距可以为120mm。管镜2的入瞳直径可以为20mm；管镜2可匹配放大倍数是10X至100X的无限远共轭显微物镜1。

在实施例2中管镜2的第一透镜210最靠近物方侧的透镜面S1顶点与无限远共轭显微物镜1的像后焦平面的距离，即第一距离L1为90.435mm。

在实施例2中，第二距离L2为91.85mm。

在实施例2中的各透镜的面编号、表面类型、曲率半径、厚度（面间隔）、波长0.588μm的折射率、阿贝系数及透镜编号如表3所示。曲率半径、厚度（面间隔）及其他长度的单位一般使用“mm”。

表3实施例2透镜参数

表4实施例2的条件数值

其中第一距离L1、第二距离L2、第三距离L3、第一预设范围、第二预设范围、第三预设范围、第一透镜组TG1、第二透镜组TG2、第三透镜组TG3、第四透镜230、第五透镜231的说明，可以参见前述。

第一透镜组TG1的焦距以F1表示、第二透镜组TG2的焦距以F2表示、第三透镜组TG3的焦距以F3表示、第四透镜230的焦距以F30表示，第五透镜231的焦距以F31表示，管镜2的焦距以F表示。

如表4所示，在上述实施例2中，管镜2的光学系统满足本发明公开的管镜2的光学系统设计条件。

图11是示出了实施例2所涉及的管镜2的光学系统的点列图。参见图11，光斑集中在艾里斑范围内，能量集中度很高，本实施例2的管镜2的光学系统成像结果比较理想。

图12是示出了实施例2所涉及的管镜2的光学系统的调制函数图。参见图12，管镜2的光学系统在低频段具有较好的分辨率和对比度，成像质量很好，但随着空间频率的提高，它的衰减过程很慢，说明该管镜2的像质是符合要求的，图12中MTF2曲线是衍射极限图，表示无像差的条件下，管镜2的光学系统所能达到最好的对比度，由图12可以看出，MTF曲线接近衍射极限，光学传输效率很高，说明实施例2的管镜2的光学系统的优化结果比较理想。

需要说明的是，虽然图1-图4，图7-图10中的第一透镜210、第二透镜220、第三透镜221、第四透镜230、和第五透镜231表现为双凸透镜、平凸透镜、或双胶合透镜，但本公开不限于此，第一透镜210、第二透镜220、第三透镜221、第四透镜230、和第五透镜231可以为符合预设光焦度设计要求任意透镜类型，换言之，第一透镜210、第二透镜220、第三透镜221、第四透镜230、和第五透镜231可以为满足本公开的管镜2的光学系统有关光焦度、焦距、材料折射率、阿贝系数的设计要求的透镜类型。

综上所述，本公开提供一种共聚焦显微镜的管镜2的光学系统，在本发明涉及的共聚焦显微镜的管镜2的光学系统中，本发明根据所需要的管镜2的光学特性，首先选定共聚焦显微镜的管镜的初始结构，该初始结构为三片式成像系统，在负光焦度透镜组两边分别设置一个正光焦度透镜组，结合像差设计理论、光焦度分配合理原则及公差设计理念，对选择的初始结构进行参数修改和优化设计，由此得到一种共聚焦显微镜的管镜的光学系统。在这种光学系统中，本公开提供了一种用于管镜的光学系统，该管镜2可以与物镜1配合使用，用在并行共聚焦显微镜系统中，通过合理的光学结构设置，使得并行共聚焦显微镜的照明光路和检测成像光路可以共用管镜。在照明光路中，管镜可将光线聚焦在物镜1像后焦平面，实现物面的均匀照明，在检测成像光路中，管镜承接物镜1所出射的平行光，物镜1和管镜2之间的平行光光路可扩展其他光路插入扩展部件，并且保证显微成像质量；由于并行共聚焦显微镜的特性，本公开针对转盘引入的像差，优化管镜各透镜参数，采用消像差设计，保证显微系统在可见光范围内成像清晰，画面两侧清晰度均匀对称；同时优化了各透镜的排列方式及外形结构，使管镜的光学系统具有公差范围合理、装配简单、容差性能好的特点。

以上在具体实施方式中描述了本发明的各种实施例。尽管这些描述直接描述了上述实施例，但是应该理解的是，本领域技术人员可以想到对这里示出和描述的特定实施例的修改和/或变形。落入本说明书范围内的任何这样的修改或变形也意图包括在其中。除非特别指出，否则发明人的意图是说明书和权利要求书中的词语和短语被赋予普通技术人员的普通和习惯的含义。

已经呈现了本申请人在提交本申请时已知的本发明的各种实施例的以上描述，并且旨在用于说明和描述的目的。本说明并非旨在穷尽本发明，也不将本发明限制于所公开的确切形式，并且根据上述教导可以进行许多修改和变形。所描述的实施例用于解释本发明的原理及其实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够以各种实施例以及适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。因此，旨在本发明不限于公开的用于实现本发明所披露的特定实施例。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，基于本发明的教导，可以做出变形和修改而不偏离本发明及其更广泛的方面，因此所附权利要求将在其范围内涵盖在本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修改。本领域技术人员将理解，一般而言，本发明中使用的术语一般意图为“开放”术语（例如术语“包括”应被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”等）。

Claims (10)

1.一种并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：包括共聚焦显微镜，所述共聚焦显微镜包括物镜、管镜、转盘和光源，所述管镜包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、具有负光焦度的第二透镜组以及具有正光焦度的第三透镜组；

所述第二透镜组与所述第三透镜组在光轴上的距离、所述第三透镜组的焦距、以及所述光源的位置与所述转盘在光轴上的最小的距离之间满足以下条件：

其中，L3为所述第二透镜组与所述第三透镜组在光轴上的距离，F3为所述第三透镜组的焦距，L2为所述光源的位置与所述转盘在光轴上的最小的距离。

2.根据权利要求1所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述管镜的光学系统配置为将所述光源发出的光线聚焦在所述物镜的像后焦平面，并配置为接收所述物镜所出射的平行光。

3.根据权利要求1或2所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述转盘是厚度为2mm的平板玻璃，所述转盘的中心轴与所述管镜的光轴的夹角为10°，所述转盘的中心到光轴的距离是15mm。

4.根据权利要求1所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述第一透镜组与所述物镜的像后焦平面在光轴上的间隔设为第一距离，所述第一距离与所述管镜的焦距的比值的绝对值在第一预设范围内，所述第一预设范围大于0.5且小于1.0。

5.根据权利要求1所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述第一透镜组的焦距与所述管镜的焦距的比值的绝对值在第二预设范围内，所述第二预设范围大于0.5且小于1。

6.根据权利要求1所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：

所述第二透镜组包括正光焦度的第二透镜和负光焦度的第三透镜。

7.根据权利要求6所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：

所述第二透镜组中的所述第二透镜的焦距大于等于40mm，小于等于100mm；所述第二透镜组中的所述第三透镜的焦距大于等于负50mm，小于等于负20mm。

8.根据权利要求6所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：

所述第二透镜的材料折射率大于等于1.5且小于等于1.6，所述第二透镜的阿贝系数大于等于60且小于等于70；所述第三透镜的材料折射率大于等于1.6且小于等于1.7，所述第三透镜阿贝系数大于等于30且小于等于50。

9.根据权利要求1所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述第三透镜组包括多个透镜，所述多个透镜包括远离所述光源的第四透镜和靠近所述光源的第五透镜。

10.根据权利要求9所述的并行扫描共聚焦显微系统，其特征在于：所述第四透镜的焦距与所述第五透镜的焦距的比值在第三预设范围内，所述第三预设范围大于等于1且小于等于2。