CN107561042A - 一种用于荧光分析仪的光斑整形光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统，用于对位于检测区的物质进行荧光分析，包括：光源，用于发出入射光；光斑整形透镜，用于将所述入射光进行光斑整形，形成与所述检测区形状相匹配的检测光斑；所述检测光斑投射至检测区，激发检测区的荧光物质形成荧光；荧光接收光路，用于接收并感测所述荧光。本发明中光源发出的大部分光可以透过光斑整形透镜进而到达检测区，提高了光源的光利用率，在同等光源发光条件下，与对入射光进行遮挡的方案相比，本发明实际到达检测区的光强更强，可以有效提高荧光分析仪的灵敏度。

Description

一种用于荧光分析仪的光斑整形光学系统

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种光学系统。

背景技术

荧光分析仪是一种定性、定量分析的仪器。荧光分析仪中光源发出的光斑投射到试纸上，激发试纸检测区的荧光物质，获得荧光，之后对荧光进行探测和分析获得试纸中待检测物质的性质。

为了提高荧光分析仪的灵敏度，需增加投射至试纸上的激发光的强度。现有技术中采用汇聚光束的方法增加激发光的强度，例如，采用球面镜或非球面镜将光源发出的光汇聚成圆形光斑，所述圆形光斑投射至试纸上用作激发光。

然而，当前市场上试纸检测区为矩形，汇聚后形成的光斑为圆形。如果圆形光斑过大，激发光的光强比较分散，实际照射到检测区的光强被减弱，不利于灵敏度提高，还容易造成检测区交叉干扰；而如果圆形光斑过小，无法完全覆盖检测区，则容易造成荧光物质分布不均的问题，使测量值不能真实反映检测区荧光物质的情况，还容易造成测量重复性差的问题。

在公开号为CN104950454A的中国专利申请中公开了一种荧光分析仪，参考图1，示出了所述荧光分析仪的结构示意图。所述荧光分析仪采用遮光片2对光源1发出的光进行光斑整形，所述遮光片2具有长方形的孔3，所述遮光片2的孔3可以使光斑中光强均匀的光通过同时遮挡边缘的衰减区，从而形成矩形光斑投射至检测物4。然而所述专利申请中，光源发出的入射光一部分被遮光片2遮挡，在同等光源发光强度的条件下，无法有效提高荧光分析仪的灵敏度。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种光学系统，将荧光分析仪中的入射光整形为矩形光斑，并将矩形光斑投射至试纸的矩形检测条带上，以提高荧光分析仪的灵敏度。

为了解决所述技术问题，本发明提供一种光学系统，用于对位于检测区的物质进行荧光分析，包括：光源，用于发出入射光；光斑整形透镜，用于对所述入射光进行光斑整形，形成与所述检测区形状相匹配的检测光斑；所述检测光斑投射至检测区，激发检测区的荧光物质形成荧光；荧光接收光路，用于接收并感测所述荧光。

可选地，所述检测区的形状为矩形，所述光斑整形透镜用于将所述入射光整形为矩形光斑。

可选地，所述光斑整形透镜为柱面透镜。

可选地，所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜。

可选地，所述矩形光斑的长在2.7mm至3.3mm的范围内，所述矩形光斑的宽在0.9mm至1.1mm的范围内。

可选地，所述光学系统为同轴光学系统。

可选地，所述光源用于发出与所述检测区平行的入射光；所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜，包括凸面、平面和位于平面和凸面之间的侧面；所述同轴光学系统还包括：分光片，在入射光的传播方向上位于所述光源和所述光斑整形透镜之间；用于将所述入射光反射至所述平凸柱面透镜的平面；所述平凸柱面透镜的平面接收所述入射光，凸面出射入射光，使所述入射光汇聚和整形为矩形光斑并投射至检测区形成荧光；所述平凸柱面透镜的凸面还用于接收所述荧光并从凸面出射所述荧光，所述分光片还用于使所述荧光透过，并进入所述荧光接收光路。

可选地，所述分光片为二向色镜。

可选地，所述荧光接收光路包括：滤光片，用于使汇聚的荧光透过并滤除荧光外的杂散光；汇聚透镜，用于汇聚透过滤光片的荧光；光电传感器，用于接收汇聚后所述荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。

可选地，所述光学系统为离轴光学系统。

可选地，所述光源用于发出与所述检测区倾斜的入射光；所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜，包括用于接收所述入射光的平面，以及使矩形光斑出射的凸面，还用于使从所述凸面出射的光斜入射至检测区，以形成荧光。

可选地，所述荧光接收光路包括：汇聚透镜，用于汇聚所述荧光；滤光片，用于使汇聚的荧光透过并滤除荧光外的杂散光；光电传感器，用于接收从滤光片透光的荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。

可选地，所述光源为半导体激光器或LED光源。

可选地，所述汇聚透镜为球面透镜或非球面透镜。

可选地，所述光电传感器为硅光电传感器。

可选地，所述滤光片用于使荧光透过并滤除所述光源发出的入射光和自然光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过光斑整形透镜对光源发出的光进行整形，形成与检测区形状相匹配的检测光斑，检测光斑在检测区光强分布均匀，且光强较为集中，提高荧光分析仪的灵敏度；另一方面，光源发出的大部分光可以透过光斑整形透镜进而到达检测区，提高了光源的光利用率，在同等光源发光条件下，与对入射光进行遮挡的方案相比，本发明实际到达检测区的光强更强，可以有效提高荧光分析仪的灵敏度。

附图说明

图1是一种荧光分析仪的结构示意图；

图2是本发明光学系统一实施例的示意图；

图3是本发明光学系统另一实施例的示意图。

具体实施方式

如背景技术所描述，现有技术荧光分析仪采用光阑对光源发出的光进行遮挡，形成与检测区形状相匹配的检测光斑，降低了光源的光利用率，难以提高荧光分析仪的灵敏度。

针对上述问题，本发明提供一种光学系统，用于对位于检测区的物质进行荧光分析，包括：光源，用于发出入射光；光斑整形透镜，用于对所述入射光进行光斑整形，形成与所述检测区形状相匹配的检测光斑；所述检测光斑投射至检测区，激发检测区的荧光物质形成荧光；荧光接收光路，用于接收并感测所述荧光。本发明通过光斑整形透镜对光源发出的光进行整形，形成与检测区形状相匹配的检测光斑，检测光斑在检测区光强分布均匀，且光强较为集中，提高荧光分析仪的灵敏度；另一方面，光源发出的大部分光可以透过光斑整形透镜进而到达检测区，提高了光源的光利用率，在同等光源发光条件下，与对入射光进行遮挡的方案相比，本发明实际到达检测区的光强更强，可以有效提高荧光分析仪的灵敏度。

参考图2，示出了本发明光学系统一实施例的示意图。本发明光学系统为对位于检测区07的物质进行荧光分析的同轴光学系统。本实施例中，所述检测区的形状为矩形。所述光学系统包括：

光源01，用于发出入射光。

本实施例中，所述光源01用于发出与所述检测区07平行的入射光。具体地，所述光源为LED光源，用于发出发散角小于15°的圆形光斑。LED光源体积小、功率低，可以提高整个光学系统的紧凑性和便携性。在其他实施例中，所述光源01还可以是半导体激光器。

分光片03，用于改变光源01发出入射光的传播方向。本实施例中，所述分光片03使入射光发生反射。

本实施例的光学系统为同轴光学系统，所述分光片改变入射光的传播方向，使入射光反射后形成的反射光垂直检测区07的方向。

具体地，所述分光片03为二向色镜。所述二向色镜设置为使入射光反射且使荧光透光。

光斑整形透镜02，用于将所述入射光整形为矩形光斑。所述光斑整形透镜02可以是柱面透镜，用于对一方向的光束进行整形。本实施例中，所述柱面透镜用于对光源发出光的第一方向进行汇聚而与第一方向垂直的第二方向上保持不变，理想的点光源经过柱面透镜，所成的像在焦平面上为一条竖直的直线，而在离焦面形成矩形光斑，从而实现光斑整形。在其他实施例中，还可以采用其他能够实现光斑整形的透镜。

具体地，所述柱面透镜为平凸柱面透镜。所述平凸柱面透镜包括凸面、平面和位于平面和凸面之间的侧面。所述凸面为光入射面时所述平面为光出射面，或者，所述平面为光入射面时，所述凸面为光出射面。平凸柱面透镜结构简单、价格低廉，可以降低光学系统的成本，其他实施例中可以采用其他柱面透镜实现光斑整形。

所述平凸柱面透镜的平面接收被分光片改变方向的所述入射光，凸面出射所述入射光，所述凸面可以光线在一方向上汇聚，另一方向保持不变，从而将入射光整形方程为矩形光斑。

从光斑整形透镜02发出的矩形光斑投射至检测区07。本实施例中，矩形光斑垂直入射至检测区07。

本实施例中待检测物设置于试纸08中，所述试纸08的条带上设置有多个矩形的检测区07，所述矩形光斑与矩形的检测区07相匹配，此处相匹配的含义指的是，形状相同且尺寸相当，所述矩形光斑能够完全覆盖矩形的检测区07，且不会过多地超出检测区07的范围。

具体地，所述矩形光斑的长在2.7mm至3.3mm的范围内，所述矩形光斑的宽在0.9mm至1.1mm的范围内。可选的，所述矩形光斑的长为3mm，宽为1mm。

矩形光斑投射至检测区07，激发检测区07的荧光物质形成荧光。所述平凸柱面透镜的凸面还用于接收所述荧光并从凸面出射所述荧光。

所述分光片03还用于使所述荧光透过，并进入所述荧光接收光路。所述荧光接收光路用于对所述荧光进行接收和感测，以实现对荧光的定量和定性分析。本实施例中，荧光接收光路的光轴与检测区07垂直。

本实施例中，所述荧光接收光路包括：

滤光片04，用于使荧光透过并阻挡荧光外的杂散光透过；从而可以减少杂散光对荧光的干扰，增加荧光分析过程的准确性。

本实施例中，所述滤光片04用于阻挡两种非有效信号的杂散光，避免杂散光信号幅度覆盖有效荧光信号，降低系统灵敏度；这两种非有效信号的杂散光包括光源和自然光的干扰。

具体地，光源01发出的光的波长与激发荧光的波长有偏差，如：光源波长为650nm，激发荧光的波长为680nm，采用滤光片对650nm的光进行过滤，从而避免光源发出的光束影响荧光的接受和探测。

此外，全谱的自然光也容易被感测从而成为影响荧光感测的杂散光，相应地，所述滤光片还用于滤除自然光。

汇聚透镜05，用于汇聚透过滤光片的荧光，以增加荧光的光强进而增加荧光分析过程的精确度。本实施例中，所述汇聚透镜05为非球面透镜，可以减小成像的相差，提高检测精度。其他实施例中，所述汇聚透镜05还可以为球面透镜。

光电传感器06，用于接收汇聚后所述荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。后续可以通过所述电信号进行荧光分析。

需要说明的是，被激发的荧光发散角为180°，所述汇聚透镜05和光电传感器06设置为可将荧光汇聚在传感器06的感光面上。

本实施例中，所述光电传感器06为硅光电传感器。硅光电传感器体积小、集成度高，可以提高整个光学系统的集成度和便携性。

需要说明的是上述实施例是以同轴光学系统为例进行说明，其中“同轴”指的是检测区入射光和出射光基本在同一方向上，具体地说，在上述实施例中，入射光和出射光均与检测区垂直。同轴光学系统的结构较为紧凑，但是本发明还可以是离轴光学系统。

参考图3，示出了本发明光学系统另一实施例的示意图。本实施例，所述光学系统为离轴光学系统。本实施例仍然以检测区的形状为矩形进行说明。本实施例与上一实施例相同之处不再赘述，本实施例与上一实施例的不同之处在于:

本实施例的光学系统中，光源11用于发出与所述检测区17倾斜的入射光。

本实施例中，光斑整形透镜12仍为平凸柱面透镜，所述平凸柱面透镜包括凸面、平面和位于平面和凸面之间的侧面。所述平凸柱面透镜的平面用于接收所述入射光，之后从凸面出射，形成矩形检测光斑。

本实施例中，所述矩形检测光斑从凸面后出射斜入射至检测区17，激发检测区17的荧光物质形成荧光。之后所述荧光进入至荧光接收光路，以进行接收和感测，进而获得荧光分析数据。

需要说明的是，虽然检测光斑斜入射至检测区17，但是荧光出射方向并不受检测光斑斜入射或垂直入射的影响。相应地，荧光接收光路的光轴仍可以与检测区17垂直。

本实施例中，所述荧光接收光路包括：

汇聚透镜13，用于汇聚所述荧光；所述汇聚透镜13为球面透镜或非球面透镜。

滤光片14，用于使汇聚的荧光透过并阻挡荧光外的其他光透过。

光电传感器15，用于接收从滤光片14透光的荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。具体地，所述光电传感器15为硅光电传感器。

本实施例与图2所示实施例的在形成荧光之后，荧光所通过的光学部件有所不同。具体地说，在同轴光学系统中，在荧光传播方向上依次包括柱面透镜、分光片、滤光片、汇聚透镜和光电传感器；在本实施例离轴光学系统中，在荧光传播方向上依次包括汇聚透镜、滤光片和光电传感器。在其他变形实施例中，还可以是在同轴光学系统中，在荧光传播方向上依次包括柱面透镜、分光片、汇聚透镜、滤光片和光电传感器；在离轴光学系统中，在荧光传播方向上依次包括滤光片、汇聚透镜和光电传感器。

本实施例中，离轴光学系统中可以不设置分光片，减少了光学元件的使用，降低了光学系统的成本。

需要说明的是，上述两个实施例中检测区为矩形，所述光斑整形透镜用于将入射光整形为与矩形的检测区相匹配的矩形光斑。其他实施例中，光斑整形透镜还可以根据检测区的形状对入射光进行整形，例如检测区为椭圆形，所述光斑整形透镜用于将入射光整形为与检测区相匹配的椭圆形光斑，此处相匹配的含义指的是，形状相同且尺寸相当，所述检测光斑能够完全覆盖矩形的检测区，且不会过多地超出检测区的范围。这样，一方面，检测光斑在检测区具有均匀的光强分布，另一方面光学系统无需对入射光进行遮挡，不会造成入射光有过多损失。本领域技术人员可以根据上述实施例对本发明进行变形。

综上，本发明通过光斑整形透镜对光源发出的光进行整形，形成与检测区形状相匹配的检测光斑，检测光斑在检测区光强分布均匀，且光强较为集中，提高荧光分析仪的灵敏度；另一方面，光源发出的大部分光可以透过光斑整形透镜进而到达检测区，提高了光源的光利用率，在同等光源发光条件下，与对入射光进行遮挡的方案相比，本发明实际到达检测区的光强更强，可以有效提高荧光分析仪的灵敏度。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (16)

1.一种光学系统，其特征在于，用于对位于检测区的物质进行荧光分析，包括：

光源，用于发出入射光；

光斑整形透镜，用于对所述入射光进行光斑整形，形成与所述检测区形状相匹配的检测光斑；所述检测光斑投射至检测区，激发检测区的荧光物质形成荧光；

荧光接收光路，用于接收并感测所述荧光。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述检测区的形状为矩形，所述光斑整形透镜用于将所述入射光整形为矩形光斑。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光斑整形透镜为柱面透镜。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜。

5.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述矩形光斑的长在2.7mm至3.3mm的范围内，所述矩形光斑的宽在0.9mm至1.1mm的范围内。

6.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统为同轴光学系统。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光源用于发出与所述检测区平行的入射光；所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜，包括凸面、平面和位于平面和凸面之间的侧面；

所述同轴光学系统还包括：

分光片，在入射光的传播方向上位于所述光源和所述光斑整形透镜之间；用于将所述入射光反射至所述平凸柱面透镜的平面；

所述平凸柱面透镜的平面接收所述入射光，凸面出射入射光，使所述入射光汇聚和整形为矩形光斑并投射至检测区形成荧光；

所述平凸柱面透镜的凸面还用于接收所述荧光并从凸面出射所述荧光，

所述分光片还用于使所述荧光透过，并进入所述荧光接收光路。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述分光片为二向色镜。

9.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述荧光接收光路包括：

滤光片，用于使荧光透过并滤除荧光外的杂散光；

汇聚透镜，用于汇聚透过滤光片的荧光；

光电传感器，用于接收汇聚后所述荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。

10.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统为离轴光学系统。

11.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述光源用于发出与所述检测区倾斜的入射光；

所述光斑整形透镜为平凸柱面透镜，包括用于接收所述入射光的平面，以及使矩形光斑出射的凸面，还用于使从所述凸面出射的光斜入射至检测区，以形成荧光。

12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述荧光接收光路包括：

汇聚透镜，用于汇聚所述荧光；

滤光片，用于使汇聚的荧光透过并滤除荧光外的杂散光；

光电传感器，用于接收从滤光片透光的荧光，并将所述荧光的光信号转换为电信号。

13.如权利要求1、7或11所述的光学系统，其特征在于，所述光源为半导体激光器或LED光源。

14.如权利要求9或12所述的光学系统，其特征在于，所述汇聚透镜为球面透镜或非球面透镜。

15.如权利要求9或12所述的光学系统，其特征在于，所述光电传感器为硅光电传感器。

16.如权利要求9或12所述的光学系统，其特征在于，所述滤光片用于使荧光透过并滤除所述光源发出的入射光和自然光。