專利名稱：：成像物鏡的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明關于一種成像物鏡，尤其是一種用于顯微鏡的負焦距成像物鏡，其對于相同倍率，可以得到增大的、物空間的數(shù)值孔徑NAO，從而得以提高其分辨率。
背景技術：
：對于設計者來說，光線追跡法是建立鏡組的初階結構中最實用的方法，可以藉由簡單的公式推導光在光學系統(tǒng)的路徑。光線追跡法是建立在近軸的條件(ParaxialCondition)下，主要是利用光線的折射(Refraction)與傳遞(Transfer)相應的公式來追蹤光線在光學系統(tǒng)中的路徑。而近軸光學(ParaxialOptics)則正是處理經(jīng)過中心(軸心對稱)光學系統(tǒng)(CenteredOpticalSystem)的光之傳播問題。一般近軸光學系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)對稱的反射面或折射面，這些面都有一個共同的軸，稱為光軸(OpticalAxis)。中心光學系統(tǒng)有一個性質(zhì)，就是當光線非?？拷廨S地通過此系統(tǒng)時，總是與系統(tǒng)內(nèi)任何鏡面的法線(NormalLine)相交，產(chǎn)生一個小入射角。這樣的光線稱為近軸光線(ParaxialRay)o如圖1所示，即為一種簡單近軸光學系統(tǒng)的示意圖。一道光線Rl平行光軸地由左邊進入透鏡L，之后透出、并與光軸交在某一點F，，此點稱為透鏡的焦點(FocalPoint)(或稱第二焦點(SecondFocalPoint))?？紤]一條光線R2由左邊的點經(jīng)過透鏡，其在與R1進入系統(tǒng)的相同高度時以平行光軸的方式出射，這樣可以定義為第一焦點(FirstFocalPoint)Fl。這兩道光線相交于物空間(ObjectSpace)中的同一點O與像空間(ImageSpace)的同一點O，，即O，是O的像。由于光線進入透鏡的高度可以是任意的，所以包含O點而垂直光軸的平面會成像至包含O，且垂直光軸的平面上，這兩個平面與光軸的交點稱為主點(PrincipalPoint)P與P，。第一主點P在物空間，而第二主點P'在像空間，因此P'是P的像。而且，由于O與O'離光軸的距離相等，則像的縱向(Lateral)放大率也是一致的。OP與O'P'平面為該光學系統(tǒng)的主平面(PrincipalPlanes),這兩個主平面之間即為共軛(Conjugate)關系。由第一焦點至第一主點的距離稱為第一焦距f(FirstFocalLength),而第二主點至第二焦點的距離為第二焦距f，(SecondFocalLength)或稱有效焦距(EffectiveFocalLength,EFL)。美國專利第7，023，622號揭露了一種用于微型顯微鏡的物鏡(Objective),其包括自物體側(cè)(ObjectSide)至成像側(cè)(ImageSide)依次排列的正(Positive)的第一透鏡，正的第二透鏡和負(Negative)的第三透鏡。該物鏡具有的數(shù)值孔徑(NumericalAperture)大于或等于0.4;而其放大倍率(Magnification)則介于11至12之間，或者低于這個范圍，但大于4。該專利旨在提供一種物鏡系統(tǒng)，具有低放大{音率一數(shù)值孑[^5(Magnification-to-NumericalAperture)的比率〈直(例如，低于30)，且同時具有一個較大的視場(FieldofView,FOV)-直徑(Diameter)的比率值(例如，大于O.l)。而另一種公開于美國專利第6，560，033的物鏡(ObjectiveLens)則包括，從物體側(cè)至成像側(cè)，一個正的新月形狀的第一透鏡(MeniscusPositiveFirstLens)、正的第二透鏡組(SecondLensGroupwithaPositiveRefractivePower)、正的第三透鏡組(ThirdLensGroupwithaPositiveRefractivePower)、第四透鏡組(FourthLensGroup)和第一透鏡組(Fi他LensGroup)。這種用于顯微鏡的物鏡系統(tǒng)之放大倍率(Magnification)可達50，并具有一個較長的工作距離(LongWorkingDistance),其數(shù)值孔徑(NumericalAperture)可提高至0.55。另一件美國專利第6，501,603號則公開了一種采用高斯透鏡組(GaussLensSet)而應用于顯微鏡的物鏡。這種物鏡包括正的第一透鏡組Gl和第二透鏡組G2，該第二透鏡組G2則包括數(shù)個高斯透鏡組G2A、G2C,且每個高斯透鏡組分別包括，從物體側(cè)至成像側(cè)，具有一個朝向成像面的凹面(ConcaveSurface)的新月形光學組件(Meniscus-ShapedOpticalElement)和一個朝向物體側(cè)的凹面的新月形光學組件。這種物鏡旨在利用高斯透鏡組來糾正像差(AberrationCorrection),但是由于使用了兩個以上的高斯透鏡組，因此會增加該物鏡的總長度和總體積，而且同時也提高成本。圖2中所示者為一個現(xiàn)有技術的正焦光學系統(tǒng)(OpticalSystemwithaPositiveFocalLength)的近軸示意圖。通常，這樣的正焦光學系統(tǒng)在物空間的數(shù)值孔徑(NumericalApertureinObjectSpace,NAO)和倍率(Magnification,M)相互對應的數(shù)據(jù)值如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如果倍率M為0.9至9倍之間時，這樣的正焦系統(tǒng)的NAO為0.05至0.15，則根據(jù)顯微物鏡的分辨率公式5=0.61*A/NAO，其解析范圍為4.06人至12.2X,則該正焦系統(tǒng)的分辨率(Resolution)并不理想。而且，對于正焦系統(tǒng)來說，其倍率大則鏡物距(DistancebetweenanObjectandtheObjectiveLens)小，而倍率小則鏡物距大。在大鏡物距時，要增大NAO，就要增大鏡頭的口徑(Aperture),不利于提高鏡頭品質(zhì)。但，負焦光學系統(tǒng)則正好與正焦光學系統(tǒng)相反，可以在低倍率時有較大的NAO值。因此，有必要設計一種負焦距成像物鏡，使得對于相同倍率，可以得到增大的NAO，從而得以提高其分辨率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種負焦距成像物鏡，其對于相同倍率，可以得到增大的NAO，因而能得到相對較高的分辨率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明之成像物鏡，從物體側(cè)至成像側(cè)依次包括具有焦距F1的第一透鏡群，包括正的第一透鏡組和負的第二透鏡組，其中第一透鏡組對應的焦距為Fla,而第二透鏡組對應的焦距為Flb，并且第一透鏡組可用于對焦；第二透鏡群，其為變倍群，具有焦距F2;第三透鏡群，其為補償群，具有焦距F3，并可確保第二透鏡群的像點在其焦距F3內(nèi)；及第四透鏡群，具有焦距F4。第一、第二、第三和第四透鏡群共同組成一個有限共軛變倍系，并且整個成像物鏡具有負焦距。第一透鏡群的第一透鏡組的焦距Fla與第一透鏡群的焦距Fl之間滿足關系式Fla-0.8~1.2F1。第一和第二透鏡群之焦距Fl和F2之間滿足關系式F2-1.82.2F1。第三透鏡群之焦距滿足關系式F3=6~8(D1+D2+D3),其中D1、D2和D3分別為第一和第二透鏡群、第二和第三透鏡群及第三和第四透鏡群之間的間隔。本發(fā)明之成像物鏡進一步包括一個光闌(ApertureStop)，設于第二和第三透鏡群之間。自物體側(cè)至成像側(cè)，第一透鏡群之第一透鏡組包括一個雙平面透鏡和兩個雙凸面透鏡，第二透鏡組包括一個雙凸透鏡和一雙凹透鏡；該第一透鏡群共有10個表面rl至d0。第一透鏡群的最后一面HO為非球面，用以校正高倍率時的孔徑像差，改善軸上球差。面r10的錐度系數(shù)為K=0.003035479，曲面半徑為1.738237，且第四、第六、第八和第十順序的非球面系數(shù)分別為0.002140^)99、-0.022174842、0.010690177和-0.0099233468。自物體側(cè)至成像側(cè)，第二透鏡群包括一個雙凸透鏡和一個雙凹透鏡，共有4個表面r11至rl4;第三透鏡群包括一個雙凹透鏡、一個200610063655.9說明書第6/12頁凸一凹透鏡和一個雙凸透鏡，共有6個表面rl5至r20。自物體側(cè)至成像側(cè)，第四透鏡群包括一個雙凸透鏡、一個凹一凸透鏡和兩個雙平面透鏡，共有8個表面r21至r28。第四透鏡群之第一面r21為非球面，用以校正視場相關之像差。面r21的錐度系數(shù)為K=-0.6602577，曲面半徑為2.504539，厚度為0.007282585，折射率為1.520200，Abbe數(shù)(Abbe-Number)為52.020000,且第四、第六、第八和第十順序的非球面系數(shù)分別為0.039342084、0.01913038、-0.0085947166和0.018000121。且第四透鏡群的最后一面r28為平面。圖1是一種現(xiàn)有技術之近軸光學系統(tǒng)的示意圖；圖2是一種現(xiàn)有技術之正焦距光學系統(tǒng)的近軸示意圖；圖3是本發(fā)明成像物鏡的近軸示意圖；圖4A是本發(fā)明成像物鏡于第一位置的結構示意圖；圖4B是本發(fā)明成像物鏡于第二位置的結構示意圖；圖4C是本發(fā)明成像物鏡于第三位置的結構示意圖；圖4D是本發(fā)明成像物鏡于第四位置的結構示意圖；圖4E是本發(fā)明成像物鏡于第五位置的結構示意圖；圖5A是本發(fā)明成像物鏡之rlO面為非球面時的縱向球面色差圖;圖5B是本發(fā)明成像物鏡之r10面為球面時的縱向球面色差圖；圖6A是本發(fā)明成像物鏡變倍率為9、且r21為非球面時的場曲和像散圖6B是本發(fā)明成像物鏡變倍率為9、且r21為非球面時的畸變圖；圖7A是本發(fā)明成像物鏡變倍率為9、且r21為球面時的場曲和像散圖；圖7B是本發(fā)明成像物鏡變倍率為9、且r21為球面時的畸變圖。具體實施方式現(xiàn)結合說明書附圖，對本發(fā)明成像物鏡作進一步的詳細說明。請參閱圖4A至4E，本發(fā)明之成像物鏡，從物體側(cè)至成像側(cè)，包括正的第一透鏡群G1、正的第二透鏡組G2、正的第三透鏡組G3和正的第四透鏡組G4。從整體而言，本發(fā)明之成像物鏡為負焦距成像物鏡。第一透鏡組G1具有焦距F1，包括正的第一透鏡組和負的第二透鏡組。其中，第一透鏡組對應的焦距為Fla，而第二透鏡組對應的焦距為Flb,并且第一透鏡組可用于對焦。第二透鏡群G2為變倍群，具有焦距F2;第三透鏡群G3為補償群，具有焦距F3，并可確保第二透鏡群G2的像點在其焦距F3內(nèi)；而第四透鏡群G4具有焦距F4。其中，第一、第二、第三和第四透鏡群Gl、G2、G3、G4共同組成—個有限共軛變倍系(FiniteConjugativeMagnificationSystem)，并且整個成像物鏡具有負焦距(NegativeFocalLength)。第一透鏡群Gl的第一透鏡組的焦距Fla與第一透鏡群Gl的焦距Fl之間滿足關系式Fla=0.8~1.2Fl。第一和第二透鏡群Gl、G2之焦距F1和F2之間滿足關系式F2=1.82.2F1。第三透鏡群G3之焦距滿足關系式F3=68(D1+D2+D3)。其中D1、D2和D3分別為第一和第二透鏡群G1、G2，第二和第三透鏡群G2、G3，及第三和第四透鏡群G3、G4之間的間隔。本發(fā)明之負焦距成像物鏡進一步包括一個光闌(ApertureStop)ST，設于第二和第三透鏡群G2、G3之間。其中，自物體側(cè)至成像側(cè)，第一透鏡群Gl之第一透鏡組包括一個雙平面(double-plane)透鏡和兩個雙凸(double-convex)透鏡，第二透鏡組包括一個雙凸透鏡和一雙凹(double-concave)透鏡；該第一透鏡群Gl共有10個表面rl至r10。第一透鏡群G1的最后一面rl0為非球面(AsphericalSurface),用以校正高倍率時的孔徑像差(PupilAberration),改善軸上球差(SphericalAberrationonAxis)。面r10的錐度系數(shù)(ConicCoefficient)為K=0.003035479,曲面半徑(CurvatureRadius)為1.738237，且第四、第六、第八和第十順序的非球面系數(shù)(AsphericalSurfaceCoe伍cient)分別為0.0021409099、-0.022174842、0.010690177和-0.0099233468。自物體側(cè)至成像側(cè)，第二透鏡群G2包括一個雙凸透鏡和一個雙凹透鏡，共有4個表面rll至rl4;而第三透鏡群G3包括一個雙凹透鏡、一個凸-凹透鏡和一個雙凸透鏡，共有6個表面rl5至r20。自物體側(cè)至成像側(cè)，第四透鏡群G4包括一個雙凸透鏡、一個凹-凸透鏡和兩個雙平面透鏡，共有8個表面r21至r28。第四透鏡群G4之第一面r21為非球面，用以校正視場(FieldofView,FOV)相關之像差(Aberration)。面r21的錐度系數(shù)(ConicCoefficient)為K=-0.6602577，曲面半徑為2.504539，厚度為0.007282585,折射率(RefractiveIndex)為1.520200，Abbe數(shù)(Abbe-Number)為52.020000，且第四、第六、第八和第十順序的非球面系數(shù)(AsphericalSurfaceCoefficient)分別為0.039342084、0.01913038、-0.0085947166禾口0.018000121。且第四透鏡群G4的最后一面r28為平面。圖3所示為本發(fā)明之負焦距成像物鏡之近軸示意圖。通過與圖2所示之現(xiàn)有技術的正焦距系統(tǒng)的近軸示意圖相比較，可以看出對于正焦系統(tǒng)，其倍率大則鏡物距小，而倍率小則鏡物距大。在大鏡物距時，要增大物空間的數(shù)值孔徑(NumericalApertureofObjectSpace)NAO，就要增大鏡頭的口徑(Aperture),不利提高鏡頭品質(zhì)。但是，本發(fā)明之負焦距成像物鏡系統(tǒng)則正好與正焦系統(tǒng)相反，可以在低倍率時有較大的NAO值。本發(fā)明之負焦距成像物鏡的倍率為0.9至9倍，對應的NAO值為0.07至0.42。而如前所述，對于正焦系統(tǒng)來說，要得到相同的倍率，其合適的NAO值為0.05至0.15。根據(jù)顯微物鏡的解析公式S=0.61*X/NAO，則正焦系統(tǒng)的解析范圍為4.06、至121;而本發(fā)明之負焦距物鏡的解析范圍為至8.7X。顯然，本發(fā)明之負焦距物鏡的分辨率比同倍率的正焦系統(tǒng)高2至3倍。表一所示為本發(fā)明之負焦距物鏡各表面的相關參數(shù)(SURFACEDATASUMMARY),其中OBJ、STO和IMA分別代表的是待成像物體.(Object)、光闌(ApertureStop)和成像面(ImagePlane)。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>28標準無限-0.0027600540IMA標準無限0并且同時還滿足:表面r10:非球面系數(shù)r4:非球面系數(shù)r6:非球面系數(shù)r8非球面系數(shù)rlO表面r21非球面系數(shù)r4非球面系數(shù)r6非球面系數(shù)r8非球面系數(shù)r10EVENASPH0.0021409099-0.0221748420.010690177-0.0099233468EVENASPH0.0393420840.01913038-0.00859471660.018000121表二所示為本發(fā)明負焦距成像物鏡不同倍率與數(shù)值孔徑及相關透鏡厚度之間的對應關系表。表~^倍率0.91.5369數(shù)值孔徑0.070.090.170.310.42厚度127.814414.3666461.880760.6788490.291303厚度150.6978180.5097812.4256367.54869612.49537厚度204,5657468.2015478.7715784.8504290.291303圖4A至4E所示分別為本發(fā)明負焦距成像物鏡之倍率為0.9、1.5、3、6和9時，本發(fā)明物鏡之第一、第二、第三和第四透鏡組G1、G2、G3、G4之間、對應的第一、第二、第三、第四和第五位置的示意圖。圖5A、5B圖是本發(fā)明負焦距成像物鏡之r10面分別為非球面和球面時的縱向球面色差(LongitudinalSphericalAberration)圖。圖6A、圖7A是本發(fā)明負焦距成像物鏡變倍率為9、且r21分別為非球面和球面時的場曲和像散(AstigmaticandFieldCurvesAberration)圖。圖6B、圖7B是本發(fā)明負焦距成像物鏡變倍率為9、且r21分別為非球面和球面時的畸變(Distortion)圖。綜上所述，本發(fā)明之負焦距成像物鏡通過第一、第二、第三和第四透鏡群Gl、G2、G3、G4構成有限共軛變倍系，全系以負焦距系統(tǒng)對實物成實象，有利于提高相同倍率的物鏡的分辨率。權利要求1.一種成像物鏡，自物體側(cè)至成像側(cè)依次包含有具有焦距F1的第一透鏡群、具有焦距F2的第二透鏡群、具有焦距F3的第三透鏡群及具有焦距F4的第四透鏡群；其特征在于第一透鏡群包括正的第一透鏡組和負的第二透鏡組，其中第一透鏡組對應的焦距為F1a，而第二透鏡組對應的焦距為F1b，并且第一透鏡組可用于對焦；第二透鏡群為變倍群；第三透鏡群為補償群，并可確保第二透鏡群的像點在其焦距F3內(nèi)；第一、第二、第三和第四透鏡群共同組成一個有限共軛變倍系，并且整個成像物鏡具有負焦距。2、如權利要求1所述之成像物鏡，其特征在于第一透鏡群的第一透鏡組的焦距Fla與第一透鏡群的焦距Fl之間滿足關系式Fla=0.81.2F1。3、如權利要求2所述之成像物鏡，其特征在于第一和第二透鏡群之焦距Fl和F2之間滿足關系式F2=1.82.2F1。4、如權利要求3所述之成像物鏡，其特征在于第三透鏡群之焦距滿足關系式6*(D1+D2+D3)^F358*(D1+D2+D3)，其中D1、D2和D3分別為第一和第二透鏡群、第二和第三透鏡群及第三和第四透鏡群之間的間隔。5、如權利要求4所述之成像物鏡，其特征在于進一步包含有一光闌，該光闌設置于第二和第三透鏡群之間。6、如權利要求5所述之成像物鏡，其特征在于自物體側(cè)至成像側(cè)，第一透鏡群之第一透鏡組包括一個雙平面透鏡和兩個雙凸面透鏡，第二透鏡組包括一個雙凸透鏡和一雙凹透鏡；該第一透鏡群共有IO個表面rl至r10。7、如權利要求6所述之成像物鏡，其特征在于第一透鏡群的最后一面dO為非球面，用以校正高倍率時的孔徑像差，改善軸上球差。8、如權利要求7所述之成像物鏡，其特征在于自物體側(cè)至成像側(cè)，第二透鏡群包括一個雙凸透鏡和一個雙凹透鏡，共有4個表面rll至rl4。9、如權利要求8所述之成像物鏡，其特征在于自物體側(cè)至成像側(cè)，第三透鏡群包括一個雙凹透鏡、一個凸一凹透鏡和一個雙凸透鏡，共有6個表面rl5至r20。10、如權利要求9所述之成像物鏡，其特征在于自物體側(cè)至成像側(cè)，第四透鏡群包括一個雙凸透鏡、一個凹一凸透鏡和兩個雙平面透鏡，共有8個表面r21至r28。11、如權利要求IO所述之成像物鏡，其特征在于第四透鏡群之第一面r21為非球面，用以校正視場相關之像差。12、如權利要求ll所述之成像物鏡，其特征在于第四透鏡群的最后一面r28為平面。全文摘要本發(fā)明關于一種成像物鏡，從物體側(cè)至成像側(cè)依次包括第一透鏡群，具有焦距F1，包括正的第一透鏡組和負的第二透鏡組，其中第一透鏡組對應的焦距為F1a，而第二透鏡組對應的焦距為F1b，并且第一透鏡組可用于對焦；第二透鏡群，其為變倍群，具有焦距F2；第三透鏡群，其為補償群，具有焦距F3，并可確保第二透鏡群的像點在其焦距F3內(nèi)；及第四透鏡群，具有焦距F4。第一、第二、第三和第四透鏡群共同組成一個有限共軛變倍系，并且整個成像物鏡具有負焦距。文檔編號G02B21/02GK101211007SQ20061006365公開日2008年7月2日申請日期2006年12月28日優(yōu)先權日2006年12月28日發(fā)明者晏正濤申請人:亞洲光學股份有限公司