本实用新型涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种扩景深显微镜头。
背景技术：
景深，是指在成像设备前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。成像设备在聚焦完成后，在镜头前方(调焦点的前、后)有一段一定长度的空间，当被摄物体位于这段空间内时，其在底片上的成像恰位于焦点前后这两个弥散圆之间。被摄体所在的这段空间的长度，就叫景深。光学系统的景深决定了系统能够从物空间获得的信息量，若系统景深更大，获得的成像空间将会更广阔，成像信息将更丰富。此外，对于如球差、色差以及由温度变化和安装误差引起的离焦都能够通过拓展系统景深来校正。
现有的显微镜头在观察不同纵深位置物体时，需要调到不同的焦平面位置，不能做到同时清晰观察各处的物体，给观察带来了极大的不便。
技术实现要素：
本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本实用新型还有一个目的是提供一种无需调焦、解像品质高的扩景深显微镜头。
为了实现本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供了一种扩景深显微镜头，包括从物侧至像侧依次设置的弯月透镜、平凸透镜、第一胶合透镜组、位相编码片、双凸透镜、第二胶合透镜组以及传感器接收面；所述弯月透镜的凹面朝向物侧，所述平凸透镜的平面朝向物侧；所述第一胶合透镜组包括双凸胶合前正透镜和双凹胶合后负透镜，所述双凸胶合前正透镜靠近所述平凸透镜，所述双凹胶合后负透镜靠近位相编码片；所述位相编码片以平面透镜为基底，系统光阑设置于所述位相编码片的相同位置；所述第二胶合透镜组包括双凹胶合前负透镜和弯月胶合后正透镜，所述胶合前负透镜靠近所述双凸透镜。
优选的是，其中所述第二胶合透镜组与所述传感器接收面之间靠近所述传感器接收面处设置有保护玻璃片。
优选的是，其中所述位相编码片为3次奇对称型。
优选的是，其中设定所述扩景深显微镜头的光轴为z轴并以物体光线传播的方向为正向建立右手坐标系，所述位相编码片的面型矢高z满足下列方程：
其中，c代表作为基底的平面透镜的曲率且c＝0，
r代表作为基底的平面透镜在x、y平面内的径向坐标；
k代表作为基底的平面透镜的圆锥系数且k＝0；
a1＝0.01，a2＝0.01；
x、y为所述位相编码片面型上的坐标。
优选的是，其中所述弯月透镜、所述平凸透镜、所述第一胶合透镜组、所述双凸透镜以及所述第二胶合透镜组均为玻璃镜片，所述位相编码片为可模压成型的塑料镜片。
优选的是，其中所述弯月透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058；
所述平凸透镜的折射率为1.804005、阿贝数为46.5909；
所述第一胶合透镜组双凸胶合前正透镜的折射率为1.592807、阿贝数为68.5250；
所述第一胶合透镜组双凹胶合后负透镜的折射率为1.846669、阿贝数为23.8275；
所述位相编码片的折射率为1.491756、阿贝数为57.4408；
所述双凸透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058；
所述第二胶合透镜组双凹胶合前负透镜的折射率为1.569702、阿贝数为49.4482；
所述第二胶合透镜组弯月胶合后正透镜的折射率为1.754998、阿贝数为52.3374。
本实用新型至少包括以下有益效果：通过扩景深显微镜头中透镜的组合以及在光路的光阑附近设置位相编码片进行波前编码，从而在焦深范围内获得一致性很好的模糊成像结果。该模糊成像结果能够经复原算法得到焦深范围内的清晰像，实现景深的扩展。与现有技术相比，通过波前编码的方案，经解像能够对被观察物体在景深范围内无需调焦即可清晰成像，在景深范围内观察时无需调焦，提高了显微系统的实用性，能够广泛应显微观察领域中。
本实用新型提供的扩景深显微镜头还能够消除温度变化对成像质量的影响，同时具有光学系统光学消热差和扩景深的功能。
附图说明
图1为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头的结构示意图；
图2为传统显微光学系统的一个对比例在工作距离为16.975mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图3为传统显微光学系统的一个对比例在工作距离为17.000mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图4为传统显微光学系统的一个对比例在工作距离为17.025mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图5为传统显微光学系统的一个对比例在环境工作温度为-10℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图6为传统显微光学系统的一个对比例在环境工作温度为30℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图7为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头在工作距离为16.975mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图8为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头在工作距离为17.000mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图9为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头在工作距离为17.025mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图10为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头在环境工作温度为-10℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；
图11为本实用新型的一个实施例的扩景深显微镜头在环境工作温度为30℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了根据本实用新型的一种实现形式，其中包括：包括从物侧至像侧依次设置的弯月透镜1、平凸透镜2、第一胶合透镜组、位相编码片5、双凸透镜6、第二胶合透镜组以及传感器接收面10；所述弯月透镜1的凹面朝向物侧，所述平凸透镜2的平面朝向物侧；所述第一胶合透镜组包括双凸胶合前正透镜3和双凹胶合后负透镜4，所述双凸胶合前正透镜3靠近所述平凸透镜2，所述双凹胶合后负透镜4靠近位相编码片5；所述位相编码片5以平面透镜为基底，系统光阑设置于所述位相编码片5的相同位置；所述第二胶合透镜组包括双凹胶合前负透镜7和弯月胶合后正透镜8，所述双凹胶合前负透镜7靠近所述双凸透镜6。
在这种技术方案中，入射光束从物侧进入系统依次经过弯月透镜1、平凸透镜2和第一胶合透镜组，然后经过位相编码片5和系统光阑的共同作用对光学波前进行编码，使经镜头后出射的光线不再是聚集于像面上的一点，而是具有一定大小的光束，该光束的大小在很大的焦深范围内保持不变，使系统的点扩散函数和mtf曲线在很大的深度范围内保持一致，从而在像平面前后的大焦深范围内获得一致性很好的模糊成像结果，该结果再经过双凸透镜6和第二胶合透镜组，由传感器接收面10接收后，通过适当的滤波函数复原成清晰图像，便可得到一定焦深范围内的清晰像，同时实现扩展焦深、消除温度变化对成像质量的影响的效果。
在另一种实例中，所述第二胶合透镜组与所述传感器接收面10之间靠近所述传感器接收面10处设置有保护玻璃片。采用这种方案能够有效保护传感器接收面10。可选的，所述传感器接收面10为cmos传感器接收面，图像捕获更加灵活、灵敏度更高、动态范围更宽、分辨率更高、功耗更低，适用于显微观察领域。
上述方案中位相编码片的一种实现方式为：所述位相编码片5为3次奇对称型。采用这种方案能够进一步优化扩展效果。
上述方案中位相编码片的一种实现方式为：设定所述扩景深显微镜头的光轴为z轴并以物体光线传播的方向为正向建立右手坐标系，所述位相编码片的面型矢高z满足下列方程：
其中，c代表作为基底的平面透镜的曲率且c＝0；
r代表作为基底的平面透镜在x、y平面内的径向坐标；
k代表作为基底的平面透镜的圆锥系数且k＝0；
a1＝0.01，a2＝0.01；
x、y为所述位相编码片面型上的坐标。
采用这种方案能够进一步优化扩展效果。
上述方案中扩景深显微镜头的一种实现方式为：所述弯月透镜1、所述平凸透镜2、所述第一胶合透镜组、所述双凸透镜6以及所述第二胶合透镜组均为玻璃镜片，所述位相编码片5为可模压成型的塑料镜片。采用这种方案能够显著降低加工成本。
上述方案中扩景显微镜头的一种实现方式为：所述弯月透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058，例如为h-zpk1a玻璃镜片；
所述平凸透镜的折射率为1.804005、阿贝数为46.5909，例如为h-zlaf50d玻璃镜片；
所述第一胶合透镜组双凸胶合前正透镜的折射率为1.592807、阿贝数为68.5250，例如为h-zpk5玻璃镜片；
所述第一胶合透镜组双凹胶合后负透镜的折射率为1.846669、阿贝数为23.8275，例如为zf52玻璃镜片；
所述位相编码片的折射率为1.491756、阿贝数为57.4408，例如为pmma塑料镜片；
所述双凸透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058，例如为h-zpk1a玻璃镜片；
所述第二胶合透镜组双凹胶合前负透镜的折射率为1.569702、阿贝数为49.4482，例如为h-baf2玻璃镜片；
所述第二胶合透镜组弯月胶合后正透镜的折射率为1.754998、阿贝数为52.3374，例如为h-lak53b玻璃镜片。
为更清楚描述本实用新型的扩景深显微镜头与传统设置有调焦机构的显微光学系统的成像差异，更好的理解本实用新型的优势，本实用新型提供不同工作条件下的两种光学系统的点扩散函数图。
参考图2～图6，为传统设置有调焦机构的显微光学系统一个对比例在各处的点扩散函数图以及成像图；图2显示了工作距离为16.975mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图3显示了工作距离为17.000mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图4显示了工作距离为17.025mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图5显示了环境工作温度为-10℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图6显示了环境工作温度为30℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)。
参考图7～图11，为本实用新型实施例提供的扩景深显微镜头一个实施例在各处的点扩散函数图以及成像图；图7显示了工作距离为16.975mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图8显示了工作距离为17.000mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图9显示了工作距离为17.025mm时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图10显示了环境工作温度为-10℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)；图11显示了环境工作温度为30℃时的点扩散函数图(左图)以及成像图(右图)。
通过比较图2～图11可以发现，在传统光学系统中，不同离焦量、不同工作温度下的点扩散函数分布为大小不一的弥散圆。如图3所示，只有在对焦处的弥散圆最小，同时成像也是最清晰的。随着离焦量的增加，弥散圆逐渐变大，相应的成像图也越来越模糊。随着工作温差的增加而增大，弥散圆逐渐变大，相应的成像图也越来越模糊，如图2-图6所示；采用本实用新型的扩景深显微镜头时，系统的点扩散函数分布是一个等腰三角形，且在不同离焦量、不同工作温差条件下，基本上保持一致，在后续解像处理中，通过简单的复原算法就可以实现不同离焦位置、不同工作温度下模糊图的清晰复原，如图7-图11所示。使光学系统具备了超景深、消温差影响的功能。
如上所述，根据本实用新型，通过扩景深显微镜头中透镜的组合以及在光路的光阑附近设置位相编码片进行波前编码，从而在焦深范围内获得一致性很好的模糊成像结果。该模糊成像结果能够经复原算法得到焦深范围内的清晰像，实现景深的扩展。本实用新型的扩景深显微镜头替代了传统显微镜头通过调焦机构补偿的方案，经解像能够对目标景物实时的清晰成像，实现宽温差范围、大景深范围内的清晰成像，降低了产品的重量和成本，提高了系统可靠性和人机功效，能够广泛应用于显微成像场景中。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
1.一种扩景深显微镜头，其特征在于，包括从物侧至像侧依次设置的弯月透镜、平凸透镜、第一胶合透镜组、位相编码片、双凸透镜、第二胶合透镜组以及传感器接收面；所述弯月透镜的凹面朝向物侧，所述平凸透镜的平面朝向物侧；所述第一胶合透镜组包括双凸胶合前正透镜和双凹胶合后负透镜，所述双凸胶合前正透镜靠近所述平凸透镜，所述双凹胶合后负透镜靠近位相编码片；所述位相编码片以平面透镜为基底，系统光阑设置于所述位相编码片的相同位置；所述第二胶合透镜组包括双凹胶合前负透镜和弯月胶合后正透镜，所述双凹胶合前负透镜靠近所述双凸透镜。
2.根据权利要求1所述的扩景深显微镜头，其特征在于，所述第二胶合透镜组与所述传感器接收面之间靠近所述传感器接收面处设置有保护玻璃片。
3.根据权利要求1所述的扩景深显微镜头，其特征在于，所述位相编码片为3次奇对称型。
4.根据权利要求1所述的扩景深显微镜头，其特征在于，设定所述扩景深显微镜头的光轴为z轴并以物体光线传播的方向为正向建立右手坐标系，所述位相编码片的面型矢高z满足下列方程：
其中，c代表作为基底的平面透镜的曲率且c＝0；
r代表作为基底的平面透镜在x、y平面内的径向坐标；
k代表作为基底的平面透镜的圆锥系数且k＝0；
a1＝0.01，a2＝0.01；
x、y为所述位相编码片面型上的坐标。
5.根据权利要求1所述的扩景深显微镜头，其特征在于，所述弯月透镜、所述平凸透镜、所述第一胶合透镜组、所述双凸透镜以及所述第二胶合透镜组均为玻璃镜片，所述位相编码片为可模压成型的塑料镜片。
6.根据权利要求5所述的扩景深显微镜头，其特征在于，
所述弯月透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058；
所述平凸透镜的折射率为1.804005、阿贝数为46.5909；
所述第一胶合透镜组双凸胶合前正透镜的折射率为1.592807、阿贝数为68.5250；
所述第一胶合透镜组双凹胶合后负透镜的折射率为1.846669、阿贝数为23.8275；
所述位相编码片的折射率为1.491756、阿贝数为57.4408；
所述双凸透镜的折射率为1.617998、阿贝数为63.4058；
所述第二胶合透镜组双凹胶合前负透镜的折射率为1.569702、阿贝数为49.4482；
所述第二胶合透镜组弯月胶合后正透镜的折射率为1.754998、阿贝数为52.3374。
技术总结