CN103091821B - 光收集系统及细胞分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光收集系统及细胞分析仪，光收集系统包括：第一平凸透镜，其平面为光入射面，凸面为光出射面；第二平凸透镜，其与第一平凸透镜共光轴，第二平凸透镜的平面为光入射面，凸面为光出射面；第一双胶合透镜，其与第一平凸透镜和第二平凸透镜共光轴，第一双胶合透镜的负透镜外表面为光入射面，正透镜外表面为光出射面；和第二双胶合透镜，第二双胶合透镜位于光经第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一双胶合透镜聚合后的光路上，第二双胶合透镜的正透镜外表面为光入射面，负透镜外表面为光出射面。本发明通过将两个平凸透镜和两个双胶合透镜进行组合，既实现了较大的数值孔径，满足了工作距离的要求，又降低了加工和装配的工艺难度。

Description

光收集系统及细胞分析仪

技术领域

本发明涉及一种粒子分析领域，尤其涉及细胞分析仪中用于收集粒子发出的荧光的光收集系统。

背景技术

在医疗和生物领域，通常采用流式细胞分析仪来统计和分析细胞、DNA、蛋白和各种酶等微小粒子，流式细胞分析仪及流式细胞术，是一种在功能水平上对单细胞或其他生物粒子进行定量分析和分选的检测手段，可以高速分析成千上万个细胞，并能同时从一个细胞中测得多个参数。激光束经过整形后照射到样本流上，依次通过检测区的细胞在激光束的照射下产生荧光，激发产生的荧光很弱，而且是围绕着细胞360度向整个空间发散；荧光收集镜头的作用就是尽可能多的收集荧光信号，数值孔径(Numerical Aperture，即NA)越大收集到角度范围越大，从而使荧光信号越强，仪器的荧光探测性能越高，因此大数值孔径的荧光收集镜头设计对于流式细胞仪来说很重要。

目前各种流式细胞仪中的荧光收集镜主要有三种：(一)是直接采用现成的显微物镜产品镜头；(二)是采用非球面镜；(三)是针对流式定制的物镜。显微物镜的NA与工作距离成反比，NA1.0以上工作距离基本在0.5mm以内，由于流式细胞仪中的流动室壁厚多数在1.5mm以上，即工作距离多数大于1.5mm，所以只能采用工作距离符合要求但NA一般小于0.4的物镜，因此收集的荧光信号能量受限。对于采用非球面镜的情况，单片非球面镜只能达到NA0.65左右，而且对于宽波长范围的荧光光谱不能校正色差，采用非球面会提高加工与检测的工艺难度。对于其他一些定制的物镜，虽然能够在指定工作距离上达到NA1.1以上，但其镜片组成结构较多，较复杂，加工和装配工艺要求高。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种具有较大数值孔径的光收集系统。

根据本发明的一方面，提供一种光收集系统，包括：第一平凸透镜，其平面为光入射面，凸面为光出射面；第二平凸透镜，其与第一平凸透镜共光轴，第二平凸透镜的平面为光入射面，凸面为光出射面；第一双胶合透镜，其与第一平凸透镜和第二平凸透镜共光轴，第一双胶合透镜的负透镜外表面为光入射面，正透镜外表面为光出射面；和第二双胶合透镜，第二双胶合透镜位于光经第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一双胶合透镜聚合后的光路上，第二双胶合透镜的正透镜外表面为光入射面，负透镜外表面为光出射面。

本发明还提供一种细胞分析仪，包括：激光发射源；流动室，所述流动室包括供样本流流过的检测区，所述激光发射源发出的激光束照射到检测区；和上述光收集系统，所述光收集系统的第一平凸透镜的平面紧贴所述流动室的外壁。

本发明通过将两个平凸透镜和两个双胶合透镜进行组合，既实现了较大的数值孔径，满足了工作距离的要求，又降低了加工和装配的工艺难度。

附图说明

图1为本发明一种实施例的光收集系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的光收集系统应用于细胞分析仪的光路分析图；

图3为图2中A部的放大示意图；

图4为本发明一种实施例的光收集系统收集荧光的光路示意图；

图5为本发明另一种实施例的光收集系统收集荧光的光路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先对本申请中的一些术语进行描述。

平凸透镜为凸透镜的一种，其一面为平面镜，另一面是凸出的透镜，凸出的一面可以是球面，也可以是非球面。

双胶合透镜是指由一片低色散的正透镜(即凸透镜)和一片高色散的负透镜(即凹透镜)胶合在一起的透镜，简称双胶合，正负透镜的胶合面曲率相同。

在一种实施例中，光收集系统的结构如图1所示，光收集系统10包括两个平凸透镜和两个双胶合透镜。比较好的方式是将第一平凸透镜11、第二平凸透镜12、第一双胶合透镜13和第二双胶合透镜14设置为共光轴，在图1所示实施例中，第一平凸透镜11、第二平凸透镜12、第一双胶合透镜13和第二双胶合透镜14成直线排列。也可如图5所示的实施例中，通过分光镜或反光镜改变光的传播方向，从而可将某一个透镜(例如第二双胶合透镜)转一定角度后仍然位于光轴上。其中第一平凸透镜11的平面111朝向光入射方向，为光入射面，其凸面112为光出射面；第二平凸透镜12的平面121朝向第一平凸透镜11，为光入射面，其凸面122背向第一平凸透镜11，为光出射面；第一双胶合透镜13的负透镜131的内表面和正透镜132的内表面胶合在一起，负透镜131外表面朝向第二平凸透镜12，为光入射面，正透镜外表面背向第二平凸透镜12，为光出射面；第二双胶合透镜14位于光经第一平凸透镜11、第二平凸透镜12和第一双胶合透镜13聚合后的光路上，第二双胶合透镜14的正透镜141的内表面和负透镜142的内表面胶合在一起，正透镜141的外表面朝向光入射方向，为光入射面，负透镜142的外表面为光出射面。

在一种实施例中，第一平凸透镜的凸面为球面，所述第二平凸透镜的凸面也为球面。

为更好地收集经第一平凸透镜会聚后的光，第二平凸透镜的口径大于或等于第一平凸透镜的口径，第一双胶合透镜的口径大于或等于第二平凸透镜的口径，第二双胶合透镜的口径大于或等于第一双胶合透镜的口径。

下面以光收集系统应用于细胞分析仪为例进行说明。

如图2所示，细胞分析仪包括激光发射源(图中未示出)、流动室22和光收集系统10，流动室22包括小孔221，小孔221的一段为检测区，激光发射源发出的激光束照射到检测区。光收集系统10的第一平凸透镜11的平面111紧贴所述流动室22的一侧外壁，为将平面111和流动室22的一侧外壁固定在一起，可采用光学凝胶23将平面111和流动室22的一侧外壁胶合在一起。

当样本流21以一定速度从小孔流过，样本流21经过检测区时经激光照射发出荧光，荧光围绕着细胞360度向整个空间发散，从与平面111紧贴在一起的流动室22的一侧外壁发出的荧光自左向右被第一平凸透镜11所收集，其中样本21经流动室22发光和光透过第一平凸透镜11的细节请见图3所示。相当于由一个点光源发出的荧光24斜射到第一平凸透镜11的平面部分，由于第一平凸透镜11使用的材质针对于荧光具有较大的折射率，所以荧光在第一平凸透镜11的平面和凸面发生两次折射后，出射的荧光向光轴急速会聚，但出射的荧光光束25仍呈发散状态。发散的荧光束25再次经第二平凸透镜12进行会聚，从第二平凸透镜出射的荧光光束26接近于平行光，当仍呈稍微发散状态，这束荧光26入射到第一双胶合透镜13，通过第一双胶合透镜13的会聚和发散的准直处理后，从第一双胶合透镜13出射的是平行的荧光光束27。

在一种实施例中，第二双胶合透镜14与第一平凸透镜11、第二平凸透镜12和第一双胶合透镜13共光轴，如图4所示，从第一双胶合透镜13出射的平行荧光光束27入射到第二双胶合透镜14上，第二双胶合透镜14对平行荧光光束27进行会聚。会聚后的荧光被耦合到探测器或光纤中。图4所示即为本发明镜头设计与光纤收集系统耦合的示意图：样本发出的荧光信号经过由第一平凸透镜11、第二平凸透镜12、第一双胶合透镜13和第二双胶合透镜14组成的收集镜头，将荧光能量信号耦合到多模光纤31中，再传输给相应探测器。

为使第一双胶合透镜出射的为平行光，第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一双胶合透镜之间需要具有匹配的材质和参数。

由于从第一平凸透镜和第二平凸透镜出射的荧光束仍呈发散状态，为了更多地收集荧光，所以第二平凸透镜的口径大于或等于第一平凸透镜的口径，第一双胶合透镜的口径大于或等于第二平凸透镜的口径，第二双胶合透镜的口径大于或等于第一双胶合透镜的口径。由于不需要第二平凸透镜12对入射的荧光具有急速的会聚作用，所以第二平凸透镜使用的材料针对于荧光的折射率小于第一平凸透镜使用的材料针对于荧光的折射率，第二平凸透镜凸面的曲率半径大于第一平凸透镜凸面的曲率半径。

本实施例中，第一平凸透镜11采用ZK9玻璃材料(n＝1.62，Vd＝60.29，其中n代表材料折射率，Vd代表材料的色散率，是光学玻璃材料的两个最基本的参数)，曲面半径在2.99～6.0mm；第二平凸镜12采用K9玻璃材料(n＝1.516，Vd＝64.07)，曲率半径在7.89～10.5mm；第一双胶合透镜13采用负、正透镜组合方式，玻璃材料从前到后依次为ZF13(n＝1.78，Vd＝25.76)和K9(n＝1.516，Vd＝64.07)；第二双胶合透镜14采用了正、负透镜组合方式，玻璃材料从前到后依次为Bak2(n＝1.1.54，Vd＝59.67)和ZF11(n＝1.699，Vd＝30.07)。光学系统中所采用的材料均为很低荧光效应的光学玻璃(荧光效应是指受一种波长比如488nm光照射时发出另外一个波长比如530nm的荧光)，因为流式细胞检测应用了荧光效应原理，为了准确测试荧光都由样本发出，所以要求光学系统本身的材料为无荧光或低荧光效应即可。

以下两个具体实例中列举了两平凸透镜和两个双胶合透镜的材质和参数。

例一：两平凸透镜和两个双胶合透镜的材质和参数如表1所示。

表1

镜片

曲率半径(mm)

厚度(mm)

口径(mm)

间距(mm)

材料

11	R1＝∞，R2＝-2.9984	2.5	5.6	0.5	ZK9
						12	R1＝∞，R2＝-7.8909	2.15	10	0.5	K9
13	R1＝12.9429，R2＝5.7823，R3＝-15.6685	5.5	10	3	K9，ZF13
						14	R1＝39.435，R2＝25.708，R3＝80.709	5.26	16	47.6	BK2，ZF11

例二：两平凸透镜和两个双胶合透镜的材质和参数如表2所示。

表2

镜片	曲率半径(mm)	厚度(mm)	口径(mm)	间距(mm)	材料
						11	R1＝∞，R2＝-6.0	3.52	6.5	0.5	ZK9
12	R1＝∞，R2＝-10.5	2.89	13.0	0.5	K9
						13	R1＝23.606，R2＝9.4293，R3＝-31.3386	5.6	16	3	K9，ZF13
14	R1＝39.435，R2＝25.708，R3＝80.709	5.26	18	47.6	BK2，ZF11

除了本实施例中列举出的材质和参数(其中样本中心距第一平凸透镜的入射面1.62mm)，本领域技术人员应当理解，从光学设计意义上来讲，两个平凸透镜和两个双胶合透镜的材质和参数还可以有其他的匹配方案，各透镜之间的距离也可以根据现有的参数进行调整。

在另一种实施例中，由于在第一双胶合透镜13与第二双胶合透镜14之间为平行光束，所以本发明的荧光收集镜头还可以应用到自由空间方式的流式荧光探测系统，如图5所示：在第一双胶合透镜13与第二双胶合透镜14之间插入若干个二向色滤光片41，后面的二向色滤光片设置在前一个二向色滤光片透射光的光路上，所述第二双胶合透镜的数量与二向色滤光片数量相同，且每个第二双胶合透镜设置在各自对应的二向色滤光片反射光的光路上。这样可以将荧光收集按波长的需求分成若干个通道，每个通道的都具有单个收集镜头的光学特性；所以该镜头设计在光纤光学和自由空间分光光路系统中都可以得到应用。自由空间是指正对于光纤的概念，光纤相当于给光线设定了一个范围，光只能在光纤中(“不自由”)，反之自由空间就是，光线在没有碰到透镜、反射镜等元件时它会“自由的”按自身规律传播。

对于光收集系统，一般来讲，要实现NA1.2以上的性能就会有5组、6组以上的镜片进行组合，但这样成本和装配复杂度就提高了，好的设计应是采用较少的镜片组合实现较高的性能。本发明的组合，不但控制了镜片数量，共4组(两个平凸、两个胶合)镜片，而且实现了较大的数值孔径。

本发明实施例通过各镜片的优化组合，具有以下效果：

1、实现了较大的数值孔径。本实施例通过光学凝胶将该镜头胶合在流动室一侧可以收集±66.6°范围内的荧光散射光，达到浸液镜头NA1.22的荧光收集能力，而且工作距离可达到1.6～2.2mm。样本在液体的环境中(例如n＝1.333的环境中，一般流式仪器中用到鞘液等基本都在1.333左右，当然也可以是1.4，或1.3，这里只用于举例说明)，工作距离即样本点距离第一平凸透镜的平面距离(是指到平凸镜片的左侧那一面，即平凸镜的平坦面)在1.5mm以上，此时数值孔径NA(Numerical Aperture)可以达到NA＝1.22，而相比于现有的显微物镜，要得到同样的NA，其工作距离需要在0.5mm以内。

2、在保证很高的数值孔径的同时，有效校正了0.5～0.9μm范围内才轴上球差、色差，和轴外慧差、像散等。

3、实现了大于420μm的探测视野范围，放大率在10～20之间。在以光轴中心对称的正负210μm的420μm的视野范围内如图2中21所指位置所示，像面轴上聚焦光斑几何半径尺寸RMS值在100μm内，轴外聚焦光斑几何半径尺寸RMS值在200μm内，这样的光斑尺寸对于采用点源探测器(比如光电倍增管)的流式光学系统来说已经非常小了，运用于光纤收集系统时可以提高耦合效率到95％以上。因为，一般多模传光光纤(多模光纤是泛指一个种类，单模光纤应用在通信中(芯径较小125um或更小)，这种传递光能的场合多用芯径较大的多模光纤。)的芯径在400～1000μm左右，所以采用本发明实施例的镜头结构可以高效地将荧光信号耦合到光纤中，再传输给相应探测器。

4、本发明实施例包括两个平凸透镜和两个双胶合透镜，采用了Zk9、K9、ZF13等常用易加工光学玻璃材料，均为普通球面镜片，容易加工，成本低。

5、本发明实施例在两个胶合镜片之间采用了平行光传输设计，这意味着两个胶合镜片之间的距离可以任意设定，不影响荧光能量的收集和聚焦，并同时适应了自由空间的光学系统和光纤收集的光学系统的需求。

在某些实施例中，第一平凸透镜的凸面还可以为非球面，第二平凸透镜的凸面还可以为非球面。即第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面的形状可以任意在球面和非球面中选择并组合使用。例如，将第一平凸透镜的凸面改为非球面，各镜片的材质和参数可如表3所示；将第二平凸透镜的凸面改为非球面，各镜片的材质和参数可如表4所示。

表3

镜片

曲率半径(mm)

非球面度系

厚度(mm)

口径

间距

材料

		数(K)		(mm)	(mm)
							11	R1＝∞，R2＝-2.9984	-0.0022	2.5	5.6	0.5	ZK9
12	R1＝∞，R2＝-7.8909	无	2.15	10	0.5	K9
							13	R1＝12.9429，R2＝5.7823，R3＝15.6685	无	5.5	10	3	K9，ZF13
14	R1＝39.435，R2＝25.708，R3＝80.709	无	5.26	16	47.6	BK2，ZF11

表4

本发明除了应用于流式细胞分析仪外，还可应用于其他需要较大数值孔径的场合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于收集粒子发出的荧光的光收集系统,其特征在于包括：

第一平凸透镜，其平面为光入射面，凸面为光出射面；

第二平凸透镜，其与第一平凸透镜共光轴，第二平凸透镜的平面为光入射面，凸面为光出射面；

第一双胶合透镜，其与第一平凸透镜和第二平凸透镜共光轴，第一双胶合透镜的负透镜外表面为光入射面，正透镜外表面为光出射面；和

第二双胶合透镜，第二双胶合透镜位于光经第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一双胶合透镜聚合后的光路上，第二双胶合透镜的正透镜外表面为光入射面，负透镜外表面为光出射面，且负透镜外表面为凸面，所述第二双胶合透镜使粒子发出的荧光会聚。

2.如权利要求1所述的光收集系统，其特征在于，第二平凸透镜的口径大于或等于第一平凸透镜的口径，第一双胶合透镜的口径大于或等于第二平凸透镜的口径，第二双胶合透镜的口径大于或等于第一双胶合透镜的口径，第二双胶合透镜的正透镜之玻璃材料为Bak2，第二双胶合透镜的负透镜之玻璃材料为ZF11。

3.如权利要求2所述的光收集系统，其特征在于，所述第一平凸透镜的材料折射率大于第二平凸透镜的材料折射率。

4.如权利要求3所述的光收集系统，其特征在于，所述第一平凸透镜的材料色散率小于第二平凸透镜的材料色散率。

5.如权利要求3或4所述的光收集系统，其特征在于，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面都为球面，第一平凸透镜凸面的曲率半径小于第二平凸透镜凸面的曲率半径。

6.如权利要求5所述的光收集系统，其特征在于，所述第一平凸透镜的材料折射率为1.62，材料色散率为60.29，第一平凸透镜凸面的曲率半径为2.99-6.0mm；第二平凸透镜的材料折射率为1.516，材料色散率为64.07，第二平凸透镜凸面的曲率半径为7.89-10.5mm。

7.如权利要求6所述的光收集系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜的负透镜的材料折射率为1.78，材料色散率为25.76，第一双胶合透镜的正透镜的材料折射率为1.516，材料色散率为64.07。

8.如权利要求7所述的光收集系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜与第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜共光轴。

9.如权利要求7或8所述的光收集系统，其特征在于，还包括设置在第一双胶合透镜出射光路上的若干二向色滤光片，后面的二向色滤光片设置在前一个二向色滤光片透射光的光路上，所述第二双胶合透镜的数量与二向色滤光片数量相同，且每个第二双胶合透镜设置在各自对应的二向色滤光片反射光的光路上。

10.一种细胞分析仪，包括：

激光发射源；

流动室，所述流动室包括供样本流流过的检测区，所述激光发射源发出的激光束照射到检测区；其特征在于还包括：

如权利要求1至9中任一项所述的光收集系统，所述光收集系统的第一平凸透镜的平面紧贴所述流动室的外壁。