CN100397133C - 用于快速生物芯片检测的成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生物芯片快速检测装置的荧光收集成像镜头。该镜头包括8片镜片，自光线入射方向依次为：凹凸透镜1、凹透镜2、凹凸透镜3、凸透镜4、凸透镜5、凸透镜6、凹凸透镜7和凸凹透镜8。其结构简单，成本低；视场大，可以提高检测速度；数值孔径大，可以提高生物芯片检测系统的灵敏度；像差小，成像清晰，可以提高分辨率；工作距离长，使激发光容易激发。

Description

用于快速生物芯片检测的成像镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，特别涉及用于生物芯片快速检测装置的荧光收集成像镜头。

背景技术

目前，生物芯片技术的一个重要的发展趋势是从实验室走向实用，可应用于临床检测、环保检测、疾病预防等领域。生物芯片荧光检测装置是生物芯片技术应用的关键部分之一。在生物芯片的实用化过程中，提高生物芯片荧光检测装置的检测速度是必须的。只有检测速度高，才能对样品进行快速的诊断，满足高通量的测试需求。因此，生物芯片的检测速度能否满足要求是生物芯片技术能否走向实用化的关键。比如面对类似于高致病性禽流感这样疾病的暴发，现有的生物芯片检测仪器的检测速度显然是无能为力的。

生物芯片荧光检测装置有两种基本的检测方法：基于激光共聚焦的方法和基于CCD(电荷耦合器件)成像的方法。

生物芯片荧光检测装置的关键在于其镜头的性能。基于激光共聚焦的方法的生物芯片荧光检测装置是逐点扫描。对镜头的要求是：镜头的焦斑小，数值孔径大，工作距离长，校正色差和球差。镜头的视场很小，一般不对除色差和球差外的像差做要求。这种镜头适应了共聚焦方法逐点扫描的需要，也成为制约检测装置速度的关键因素。基于CCD(电荷耦合器件)成像的方法，对生物芯片部分或全部进行成像。这种镜头和激光共聚焦镜头有本质区别。一方面要同非快速检测镜头所要求的一样使其参数满足实用化要求，比如分辨率，数值孔径。而对于和速度密切相关的参数则是必须要刻意追求的，比如视场。

已有技术中，生物芯片检测的成像镜头制约了生物芯片荧光检测装置的速度，无法满足大批量的检测要求。中国专利公开号CN01115426.8，公开日2002年12月4日，名称为“生物芯片扫描检测系统的镜头”，公开了一种生物芯片扫描检测系统的镜头，该镜头数值孔径大，分辨率高，视场小，适合于基于激光共聚焦方法的高灵敏度生物芯片的检测。但采用该镜头的基于激光共聚焦方法的生物芯片荧光检测装置需要对生物芯片进行逐点扫描，受到扫描分辨率和机械系统扫描步长的限制，测试时间需要很长，一般长达几十分钟，显然不能满足大批量测试的需要。

中国专利公开号CN200510063208.9，公开日2005年8月24日，名称为“微阵列芯片检测系统”，公开的微阵列芯片检测系统采用的是基于CCD(电荷耦合器件)成像的方法。所采用的镜头具有数值孔径大，分辨率高的优点，但是其视场很小，只有2毫米。镜头的视场大小直接决定了单次检测范围的大小。镜头的视场越小，则生物芯片检测系统单次的检测范围就越小，检测整个生物芯片的时间就越长。所以该系统所采用镜头不能满足高速扫描的需要，并且由于镜头视场小，其对整个芯片扫描后需要对扫描完成的多块小区域图像进行拼接，降低了系统的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于快速检测的生物芯片成像镜头。其结构简单，成本低；视场大，可以提高检测速度；数值孔径大，可以提高生物芯片检测系统的灵敏度；像差小，成像清晰，可以提高分辨率；工作距离长，使激发光容易激发。

本发明的解决方案是：一种基于CCD(电荷耦合器件)成像方法的用于快速检测的生物芯片成像镜头。

该镜头包括8片镜片，自光线入射方向依次为：凹凸透镜1、凹透镜2、凹凸透镜3、凸透镜4、凸透镜5、凸透镜6、凹凸透镜7和凸凹透镜8，各透镜排列在一条中轴线上。

在所述镜头中，可以使用三种不同型号的光学玻璃材料，型号为ZK7型、ZF2型和ZK11型。各透镜的光学玻璃型号：凹凸透镜1为ZK7型，凹透镜2为ZF2型，凹凸透镜3为ZK7型，凸透镜4为ZK7型，凸透镜5为ZK7型，凸透镜6为ZK7型，凹凸透镜7为ZF2型，凸凹透镜8为ZK11型。

本发明采用以上设计，其优点是：在满足了一般生物芯片成像镜头所要求的数值孔径大，工作距离长，对各种像差进行相应的校正等特点的基础上，镜头具有大的视场。视场越大，检测相同面积的时间就越少，速度就越快，所以该镜头适用于生物芯片的快速检测装置。

附图说明

图1是本发明的一实施例结构示意图。

图2是本发明的一实施例的空间频率曲线图。

图3是本发明的一实施例的焦斑的能量分布示意图。

图4是本发明的一实施例的场曲和畸变曲线图。

图5是本发明的一实施例的光程差曲线图。

图6是本发明的设计数据修改引起的空间频率变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

为了满足基于CCD(电荷耦合器件)成像的生物芯片检测系统的高分辨率和灵敏度的要求，扫描速度快，工作距离长的特点，我们必须对生物芯片检测装置的荧光收集成像镜头进行特殊的加工设计。本发明正是针对以上的应用要求，进行荧光收集成像镜头的特殊发明设计，此镜头可应用于基于CCD(电荷耦合器件)成像的生物芯片检测系统。

本发明的荧光收集成像镜头的设计采用光线追迹的原理，通过改变镜片的厚度及其之间的间距、镜片的材料，并进行优化设计，以减少镜片的数量和使用材料的数量，以最少的成本获得大的视场，大数值孔径、长工作距离、较高分辨率和良好的成像效果。

图1为本发明的一实施例结构示意图，由八片透镜组成。其中镜片2为凹透镜，镜片4、5和6为凸透镜，镜片1、3、7和8片凹凸透镜。图中镜片1的左端为物的示意位置，镜片8的右边为像的示意位置。物被激发后产生荧光，部分荧光被镜头收集。光线从左至右依次经过镜片1到8，到达像面，物经过本发明实施例的镜头后被成像在像面上，可以在像面上放置CCD(电荷耦合器件)检测物所形成的像。

本发明的一实施例总长度为342毫米，直径78.4毫米，焦距62毫米，镜头视场为10毫米，镜头数值孔径为0.52，镜头物方工作距离为22.5毫米，镜头像方工作距离为9毫米，分辨率小于10微米，放大倍率为1.4。其作用在于：(1)收集被测物体产生的荧光。

(2)对荧光波段范围内的光消除各种像差，保证物在像面有良好的成像。

镜头材料采用三种常用的光学玻璃材料，对应的玻璃牌号分别为ZK7、ZK11和ZF2。镜头的材料顺序为ZK7→ZF2→ZK7→ZK7→ZK7→ZK7→ZF2→ZK11。

在本发明的荧光收集成像镜头的一优选实施例中，各镜片所采用的具体设计尺寸及排列如下表所示(单位：毫米)。以下结构尺寸的变化范围为±0.02毫米。

镜头表面序号    曲率半径    顶点间距    材料    表面半径

1               -43.85      14.79       ZK7     17.5

2               -30.67      1.34        空气    24

3               -319.52     7.56        ZF2     30

4               178         8.29        空气    30

5               -491.967    14.44       ZK7     35.2

6               -72.78      1           空气    35.2

7               141.61      19.43       ZK7     39.2

8               -147        146.77      空气    39.2

9               1492.8      16.63       ZK7     37.5

10              -136.14     1.98        空气    37.5

11              128.53      12.47       ZK7     35

12              -500        8.42        空气    35

13              -96         14.82       ZF2     32

14              -416.57     5.28        空气    32

15              45.63       60.02       ZK11    29.2

16              21.46       9           空气    9

镜头放大倍率：1.4

图2是本发明的一实施例的空间频率曲线图。图中横轴为空间频率，纵轴为光学传递函数的幅值。图中5条曲线分别是0视场、0.7视场3.5毫米处子午和弧矢面以及全视场5毫米处子午和弧矢面的空间频率曲线，波长范围为636纳米至682纳米。图中在空间频率为36线对处，对应物方分辨率10微米时，光学传递函数的幅值大于0.4。

图3是本发明的一实施例的焦斑的能量分布示意图。图中横轴为光斑半径，纵轴为相对强度。图中在半径为7微米内，焦斑的能量大于50％。图中除衍射极限外三条曲线分别为0视场、0.7视场3.5毫米处以及全视场5毫米焦斑的能量分布示意图。

图4是本发明的一实施例的场曲和畸变曲线图。图中左半部分为场曲曲线图，横轴为场曲数值，纵轴为视场值，视场为0视场0毫米至全视场5毫米。图中左半部分为畸变曲线图，横轴为畸变百分比，纵轴为视场值，视场为0视场0毫米至全视场5毫米。

图5为本发明的荧光收集成像镜头对三种可见光即波长分别为650纳米、664纳米和678纳米消各种像差，平行光0度角入射的光程差曲线图。图中波长单位：微米。图中左上图为0视场0毫米光程差处曲线图，右上图为0.7视场3.5毫米处光程差曲线图，下图为全视场5毫米处光程差曲线图。

上述本发明之实施例中，其设计数据是经过优化后得到的一组最佳数据。如果在镜片所采用的具体设计尺寸表中修改任何一个数据，所得到的空间频率曲线图会发生很大变化。图6为镜片所采用的具体设计尺寸表中镜头表面序号6的顶点间距增加0.05毫米后得到的空间频率曲线图。

通过采用以上方法特殊发明设计的基于CCD(电荷耦合器件)成像的生物芯片检测系统的荧光收集成像镜头，满足了CCD(电荷耦合器件)成像的生物芯片检测系统对荧光收集成像镜头的特殊要求。本发明的实施例能够达到的具体指标如下：

(1)、镜头的物方视场为10毫米，可以对1平方厘米的物上范围一次性成像，增加了每次的范围，满足系统对扫描速度的要求。

(2)、镜头数值孔径为0.52，有利于收集更多的荧光，提高系统的检测灵敏度。

(3)、镜头的物方工作距离为22.5毫米，有利于激发光对生物芯片的荧光进行激发。

(4)、物方分辨率小于10微米，对各种像差进行良好校正，使光学传递函数在分辨率范围内满足要求，提高了系统的测量分辨率。

Claims (4)

1.一种用于快速检测的生物芯片成像镜头，其特征在于，该镜头包括8片镜片，自光线入射方向依次为：凹凸透镜1、凹透镜2、凹凸透镜3、凸透镜4、凸透镜5、凸透镜6、凹凸透镜7和凸凹透镜8，各透镜排列在一条中轴线上。

2.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，使用三种不同型号的光学玻璃材料，型号为ZK7型、ZF2型和ZK11型，各透镜的光学玻璃型号：凹凸透镜1为ZK7型，凹透镜2为ZF2型，凹凸透镜3为ZK7型，凸透镜4为ZK7型，凸透镜5为ZK7型，凸透镜6为ZK7型，凹凸透镜7为ZF2型，凸凹透镜8为ZK11型。

3.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，总长度为342毫米，直径78.4毫米，焦距62毫米，镜头视场为10毫米，镜头数值孔径为0.52，镜头物方工作距离为22.5毫米，镜头像方工作距离为9毫米，分辨率小于10微米，放大倍率为1.4。

4.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，各镜片所采用的具体设计尺寸及排列如下表所示，曲率半径、顶点间距和表面半径的单位均为毫米，以下结构尺寸的变化范围为±0.02mm，

镜头表面序号  曲率半径    顶点间距    材料    表面半径

1             -43.85      14.79       ZK7     17.5

2             -30.67      1.34        空气    24

3             -319.52     7.56        ZF2     30

4             178         8.29        空气    30

5             -491.967    14.44       ZK7     35.2

6             -72.78      1           空气    35.2

7             141.61      19.43       ZK7     39.2

8             -147        146.77      空气    39.2

9             1492.8      16.63       ZK7     37.5

10            -136.14     1.98        空气    37.5

11            128.53      12.47       ZK7     35

12            -500        8.42        空气    35

13            -96         14.82       ZF2     32

14            -416.57     5.28        空气    32

15            45.63       60.02       ZK11    29.2

16            21.46       9           空气    9

镜头放大倍率：1.4。

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