CN110036327B - 用于聚焦激光束的消色差消像散变形投影物镜 - Google Patents
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Abstract
在流式细胞仪中，物镜(20)将具有四个不同波长的输入激光束聚焦到共同平面(P)中。物镜(20)包括三个单透镜(CL1,CL2,FFL)，两个第一单透镜(CL1,CL2)成形为圆柱形并且减小输入激光束的尺寸，第三单透镜(FFL)是球形的以将减小尺寸的激光束聚焦到共同平面(P)中。
Description
优先权
本申请要求于2016年7月18日提交的美国临时申请序号62/363,532和2017年7月11日提交的美国非临时专利申请号15/646,688的优先权，所述申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及投影透镜。本发明特别涉及用于将具有不同波长的两个或更多个激光束聚焦到共同的椭圆焦点中的变形投影透镜。
背景技术
流式细胞术的基本原理是细胞在流体流中通过聚焦激光束，从而可以对细胞进行检测，识别，计数和分选。细胞成分被荧光标记，然后被激光束激发，以发射不同波长的光。然后可以测量荧光以确定样品中存在的细胞的量和类型。当它们通过流体流时，可以分析每秒多达数千个颗粒。
在流体通过聚焦光束的点处，在流体流周围小心地放置几个检测器。悬浮颗粒或细胞的尺寸可以在0.2微米(μm)至150μm的范围内，穿过聚焦光束并散射辐射。荧光标记的细胞成分也被聚焦的激光束激发，并以比激光束更长的波长发射光(荧光)。然后由检测器检测荧光。检测器测量散射光和荧光的组合。然后使用特殊软件，通过与流式细胞仪连接的计算机来分析测量数据。
通常认为，上述流式细胞术过程对于包括在激光束中的更多光波长更灵活且更准确。在实践中，这是通过沿着共同路径组合来自不同激光器的分量光束以提供聚焦到流体流中的组合光束来实现的。二极管激光器模块通常用于提供分量光束。商业上可获得的二极管激光器模块可以在近紫外(UV)到近红外(NIR)的范围内提供选定基波波长的激光辐射。
越来越多的波长和波长范围在用于将组合激光束聚焦到流体流中的光学物镜的设计和构造中提出了重大问题。通常认为，为了在公共位置(焦平面)聚焦两个显着不同的波长，聚焦物镜必须包括至少两个具有不同的，例如高和低光谱色散的透镜元件。布置成将两个不同波长(红色和蓝色)聚焦在共同焦平面中的物镜通常被称为消色差物镜。
如果要将三个显着不同的波长(例如，红色、绿色和蓝色波长)聚焦在共同位置，则聚焦物镜必须包括具有不同光谱色散的至少三个透镜元件。布置成将三个显着不同的波长(红色、绿色和蓝色)聚焦在共同焦平面中的物镜通常被称为复消色差物镜。
在消色差或复消色差物镜中，不同光谱色散的单个(单态)透镜元件可能需要以透镜设计领域的从业者称为“双重透镜”或“三重透镜”的形式“粘合”在一起。这可能会造成在流式细胞仪中包含UV波长的问题，因为光学胶合剂(粘合剂)可能会被UV辐射降解。
基于传统的光学设计智慧，可以预期，随着流式细胞仪中包括更多的激光辐射波长，例如四个或更多波长，将波长聚焦到流体流中所需的物镜将更复杂和昂贵。这可能导致聚焦物镜的成本和复杂性决定了在流式细胞仪中可以使用多少激光辐射波长的实际上限。
需要一种简单的聚焦物镜，能够将四个或更多个激光辐射波长聚焦在共同的焦平面中，但是其中所需的不同光学材料(玻璃)的数量小于物镜要在共同的焦平面上聚焦的不同波长的数量。优选地，聚焦物镜不应包括任何胶合的双重或三重元件。
发明概述
在本发明的一个方面中，用于将激光辐射的输入光束聚焦在焦平面中的物镜包括在光束的传播方向上以连续数字顺序的第一、第二和第三光学元件。第一光学元件是具有焦距fCL1的圆柱形元件。第二光学元件是具有焦距fCL2的圆柱形元件。第三光学元件是具有焦距fFFL的球形元件。焦距fCL1，fCL2和fFFL通过等式fCL1-fCL2＝G*fFFL相关，其中G为约0.7至约1.4，并且优选地为约0.9至约1.1。
在本发明的另一方面，光学装置包括至少第一、第二、第三和第四激光器，分别以第一、第二、第三和第四波长分别传送第一、第二、第三和第四分量激光束。光束组合器被布置成将第一、第二、第三和第四分量激光束组合成组合光束。提供一种物镜，仅包括三个单重光学元件。物镜被布置成接收组合的激光束并聚焦组合的激光束，使得其分量激光束全部聚焦在共同的焦平面中。
术语“关于共同焦平面”认识到激光束在聚焦时聚焦成被本领域技术人员称为“束腰”的最小直径(焦斑)。光束会聚在焦斑的一侧并在焦斑的相对侧发散。腰的特征还在于“瑞利(Raleigh)范围”，即从焦斑到光束直径等于最小直径的√2倍的点的距离。在本说明书和所附权利要求中，“关于共同焦平面”意味着分量光束的焦斑在该共同焦平面的瑞利范围内。
附图说明
图1A和图1B分别是根据本发明的三元件变形聚焦物镜的一个优选实施方案的水平视图和垂直视图，包括在通过透镜的辐射传播方向上列出的正圆柱形透镜元件，负圆柱形透镜元件和球面透镜元件，其中五个输入光束被聚焦，每个光束具有与任何其他光束不同的波长。
图1C是垂直于图1A和图1B的视图的视图，图1B示意性地示出了由图1A和1B的物镜从输入光束产生的椭圆焦斑的细节。
图2A和图2B分别是光束组合器的一个优选实施例的水平视图和垂直视图，将来自五个激光辐射源的输出组合成共线光束捆以便通过图1A和1B的物镜聚焦。
图3是示意性地示出对于图1A和1B的物镜的一个实施例的计算的近轴1/e2光束直径作为工作距离偏移的函数的曲线图，该物镜将来自图2A和2B的光束组合器聚焦640nm，561nm，488nm，405nm和355nm准直光束聚焦到具有6：1轴比的椭圆焦斑。
图4是示意性地示出对于图1A和1B的正圆柱形透镜元件的焦距的各种值，从垂直焦点计算的作为波长的函数的水平腰部偏移的曲线图。
图5是示意性地示出对于图1A和1B的物镜的另一个实施例的计算的近轴1/e2光束直径作为工作距离偏移的函数的曲线图，该物镜将来自图2A和2B的光束组合器的640nm，561nm，488nm，405nm和355nm准直光束聚焦到具有4：1轴比的椭圆焦斑。
图6示意性地示出了本发明的聚焦物镜的另一个实施方案，类似于图1A和1B的实施方案，但是其中负圆柱形元件由正圆柱形透镜元件代替。
发明详述
现在转到附图，图1A和1B示意性地示出了根据本发明的消色差消像散变形聚焦物镜的优选实施方案20。图1A是任意指定为“水平”视图的视图。这是由任意指定的笛卡尔光轴x，y和z定义的y-z平面中的视图，其中z是通过透镜的光的传播轴(传播方向)。图1B是任意指定为垂直视图的视图，即垂直于图1B的视图，图1A是由笛卡尔光轴定义的x-z平面中的视图。
物镜20包括圆柱形透镜元件CL1和CL2，其仅在y轴上具有光功率。元件CL1和CL2在传播轴上跟随有最终聚焦元件FFL。元件FFL在x轴和y轴上具有相等的光功率，并且通常称为旋转对称元件。出于生产成本考虑，球形光学元件是优选的。
在该实施方案中，元件CLI在y轴(水平面)中具有正光功率，元件CL2在y轴上具有负光功率。元件优选地具有如图中所示的平面表面和弯曲表面，并且优选地布置成使得辐射首先在传播方向上，即在z方向上入射在每个元件的弯曲表面上。
物镜20被配置为将不同波长的名义上准直的共线光束带到工作平面P中的焦点。这里，为了描述的目的，波长是640纳米(nm)、561nm、488nm、405nm和355纳米。然而，本发明适用于相同或不同范围内的其他波长。理想情况下，对于所有输入波长，水平焦距(距FFL的工作距离fH)和垂直焦距(距FFL的工作距离fv)理想地应该完全相同。这在实践中是不可实现的，但可以如下文进一步描述的那样接近地近似。输入光束的直径优选地与光束波长线性相关，如图中所示。
如上所述，焦距fCL1、fCL2和fFFL通过等式fCL1-fCL2＝G×fFFL相关，其中，fCL1，fCL2，fFFL分别是元素CL1，CL2和FFL的焦距，并且G为约0.7至约1.4，优选为约0.9至约1.1。分析确定等式fCL1-fCL2＝G*fFFL中的因子G的努力是不成功的。根据经验确定在约0.7与1.4之间以及在约0.9与1.1之间的G值，并且用于定义一组初始光学设计，这些初始光学设计可以容易地优化以提供实用的功能性光学设计。可以使用商业上可获得的射线追踪软件来执行这种优化。在本文描述的实施例中，使用可从华盛顿州柯克兰的Zemax，LLC获得的ZEMAX进行优化。
继续参考图1A和1B，物镜20被设计成将输入波长聚焦成在水平(y-z)平面中具有宽度(长轴)WH以及在垂直(x-z)平面中具有宽度(短轴)WV的椭圆形焦斑，如图1C所示。WH：WV的比率主要由元件CL1和CL2的焦距之比确定。在上述流式细胞仪中，短轴将与流动方向对齐。
图2A和2B分别是水平平面视图和垂直平面视图，示意性地示出了用于组合不同波长的光束以输入到本发明的物镜20中的优选布置。激光器L1，L2，L3，L4和L5分别提供640nm，561nm，488nm，405nm和355nm波长的辐射。无焦光束扩展望远镜T1，T2，T3，T4和T5分别与激光器L1，L2，L3，L4和L5相关联，用于将光束形成为相对于激光波长所需的尺寸并准直光束。此处同样，光束直径与波长的近线性关系是显而易见的。反过来，每个望远镜都可以调节，以调节扩展的激光束的准直。反射镜M1和分色镜M2，M3，M4和M5被布置为光束组合器，以将光束组合成共线捆以输入到物镜20中。注意，在图2A的2B-2B方向上看到图2B，图2B中仅描绘了形成光束组合器的反射镜和物镜。
图3是示意性地示出对于物镜20的实施例的作为工作距离偏移的函数的计算的近轴1/e2光束直径的曲线图，该物镜20聚焦来自图2A和2B的组合器30的640nm，561nm，488nm，405nm和355nm准直光束。术语“工作距离偏移”是计算出的束腰位置与图1A和1B的工作平面P的位置之间的差。
物镜20的该实施例的规格列于下表1中。EFL是透镜元件的有效焦距。元素CL1和CL2仅在y轴上具有EFL。假设所有透镜元件都由熔融硅石制成。
表1
选择元件CL1和CL2的EFL以提供椭圆焦斑，其具有6：1的主轴与短轴的比率。对于所有波长，垂直平面中的束腰位置在设计上在工作平面中是重合的。在水平面中，355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.23mm，-0.19mm，-0.19mm，-0.3mm和0.16mm。与水平束腰的瑞利范围相比，这些偏移相对较小，对于该6：1比例实施例，这些偏移约为10.0mm，因此在曲线图上不可见。因此，物镜20可以实际地被认为是散光的。
在远离焦点的位置处的垂直束腰的高度提供了在不同波长处的输入光束尺寸的指示。举例来说，可以看出，在距离焦点-1.5mm的距离处，640和355mm的垂直束腰直径分别为约120微米(μm)和68μm，波长与光束直径的比率相同，约为1.8。这里要强调的是，对于任何给定的焦斑尺寸的水平与垂直比率，与透镜元件FFL的焦距无关，透镜元件CL1的焦距只有一个最佳值，满足等式fCL1–fCL2≈fFFL。
通过演示，图4是示意性地示出对于6：1的光斑尺寸比和50mm的fFFL，针对fCL1的各种值，作为波长的函数的从垂直焦点计算的水平束腰偏移的曲线图。假设所有透镜元件都由熔融硅石制成。
可以看出，fCL1的值为42.3mm，使得水平和垂直焦点在350nm至650nm的波长范围内基本上重合。用于提供精确6：1的光斑尺寸比的CL2(fCL2)的焦距是7.05mm(负)，其提供fCL1-fCL2＝49.35mm，即0.987*fFFL。
假设与水平束腰的瑞利范围相比，一些偏移相对较小，如上面参考图3的曲线图所讨论的那样，fCL1的其他值可以提供可接受的(如果不一定是最佳的)结果。举例来说，可以用fCL1获得可接受的结果，其具有在约30mm与约50mm之间的任何值。正是这种考虑用于在上面讨论的等式fCL1-fCL2＝G*fFFL中凭经验建立因子G的优选值。
在上面给出的讨论中，假设焦斑尺寸比率(水平与垂直)为6：1。然而，本发明的聚焦物镜不限于该特定比率。表2中提供了其他比率的示例性规格，当然，仅有三个单重透镜元件CL1、CL2和FFL。
表2
假设每种规格的透镜元件材料是熔融硅石。应该注意的是，圆柱形透镜元件的焦距参考波长为488nm，而元件FFL的焦距，这里假设为“现成”可用元件，参考波长为587.6nm。
图5是示意性地示出了对于具有表2的4：1规格的本发明物镜作为的工作距离偏移的函数的计算的近轴1/e2光束直径的曲线图，该物镜聚焦来自图2的组合器30的640nm，561nm，488nm，405nm和355nm准直光束。元件CL1、CL2和FFL的中心厚度分别为4mm、2mm和4mm。假设元件CL1与CL2之间的轴向间距为26.5mm。假设元件CL2与FFL之间的轴向间距为1.0mm。
可以看出，水平束腰比图3的6：1比例示例明显更紧密。在水平面上，355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.08mm，-0.07mm，-0.07mm，-0.01mm和0.06mm。因此，水平和垂直束腰腰部的对齐完全在水平束腰的瑞利范围内，这里，约为2.0mm的数量级。
虽然在本发明的聚焦物镜的前述实施例中，最终聚焦元件FFL具有50mm的EFL，但这不应被视为限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，FFL可以具有其他EFL值。对于CL1：CL2的6：1比率，实施例列于下表3中。
表3
在75mm EFL实施例中，水平面中355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.28mm，-0.23mm，-0.23mm，-0.03mm和0.19mm。这些偏移与上面针对表1和图3的50mm EFL实施例所讨论的那些偏移相当。
在上述本发明的聚焦物镜的所有实施例中，假设所有三个透镜元件都是熔融硅石元件。然而，如果所有三个元件CL1，CL2和FFL由相同的不同玻璃制成，或者如果一个或多个元件由一种玻璃制成，并且剩余的一个或多个元件由另一种玻璃制成，则可获得相当的光学性能。
作为示例，表4列出了本发明的聚焦物镜的规格，其中所有三个元件均由N-BK7玻璃制成。选择CL1和CL2的有效焦距以提供6：1的光斑尺寸比。
表4
在表4的实施例中，水平面中355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.27mm，-0.23mm，-0.23mm，-0.03mm和0.19mm。这些偏移几乎与上面针对表1和图3的50mm EFL实施例所讨论的那些偏移相同。
表5列出了本发明的聚焦物镜的规格，其中元件CL1和CL2由N-BK7玻璃制成，元件FFL由熔融硅石(SiO2)制成。此处同样，选择CL1和CL2的有效焦距以提供6：1的光斑尺寸比。
表5
在表5的实施例中，水平面中的355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.063mm，-0.066mm，-0.038mm，-0.010mm和0.027mm。这些偏移远小于上面针对表1和图3的50mm EFL实施例所讨论的那些偏移。
在上面讨论的本发明聚焦物镜的所有实施例中，圆柱形透镜元件CL2是负功率元件，即具有负焦距的元件。然而，如果元件CL2在y轴上具有正光学功率，即具有正焦距，则本发明的物镜可以同样有效。
作为示例，图6示意性地示出了本发明的聚焦物镜的实施方案21，其中沿z轴的第二圆柱形元件具有正光功率。该元件被指定为元件CL2`，以将该元件与图2中的元件CL2区分开。在该图中，仅描绘了水平(y-z平面)视图，并且为了简化说明，仅描绘了最长波长(640nm)和最短波长(355nm)输入光束。如上所述，355nm输入光束优选地小于与波长成线性关系的640nm输入光束。输入光束聚焦到工作平面P。
表6中提供了物镜21的示例性规格。假设所有三个透镜元件都由熔融硅石制成。选择CL1和CL2`的EFL以提供6：1的光斑尺寸比。
表6
在表6的实施例中，水平面中355nm，405nm，488nm，561nm和640nm光束的工作距离偏移分别为0.57mm，-0.52mm，-0.50mm，-0.07mm和0.43mm。这些偏移与上面针对表1和图3的50mm EFL实施例所讨论的那些偏移相当。然而，可以看出，由于需要在CL1与CL2'之间延长间距以适应CL2'的正焦距，所以物镜的长度增加。
在上述本发明的聚焦物镜的所有实施例中，所有透镜元件都是平凸或平凹的。这在使元件的生产成本最小化方面特别有利。由于该设计不需要任何粘合元件，因此物镜可用于聚焦紫外线辐射而不会使透镜元件降级。此外，可用焦距选择选项的数量提供了一个或多个透镜元件可以是来自目录光学器件供应商的“现成”透镜元件的可能性。球形元件FFL尤其如此。
应该注意的是，在整个上述过程中使用的聚焦辐射的示例性波长不应被视为限制。本领域技术人员将从说明书中认识到，可以设计物镜以聚焦其他波长而不脱离本发明的精神和范围。
总之，以上参考优选实施方案及其实施例描述了本发明。然而，本发明不限于这里描述和模糊的实施方案和实施例，而是本发明仅由所附权利要求限制。
Claims (19)
1.用于将激光辐射的输入光束聚焦在焦平面中的物镜，包括：
在光束的传播方向上按连续的数字顺序排列的第一、第二和第三光学元件；
所述第一光学元件是具有焦距fCL1的单重圆柱形元件；
所述第二光学元件是具有焦距fCL2的单重圆柱形元件；
所述第三光学元件是具有焦距fFFL的单重旋转对称元件；并且
其中fCL1，fCL2和fFFL通过以下等式相关
fCL1 - fCL2 = G * fFFL
其中G为0.7至1.4。
2.如权利要求1所述的物镜，其中G为0.9至1.1。
3.如权利要求1所述的物镜，其中所述第三光学元件是球形元件。
4.如权利要求1所述的物镜，其中每个光学透镜元件具有平面表面和弯曲表面。
5.如权利要求4所述的物镜，其中每个所述光学元件的弯曲表面是该元件在光束传播方向上的第一表面。
6.如权利要求1所述的物镜，所述第一、第二和第三光学元件由相同的材料制成。
7.如权利要求6所述的物镜，其中所述光学元件由熔融硅石制成。
8.如权利要求6所述的物镜，其中所述光学元件由N-BK7玻璃制成。
9.如权利要求1所述的物镜，其中至少一个所述光学元件由第一材料制成，而其他光学元件由第二材料制成。
10.如权利要求9所述的物镜，其中所述第一和第二光学元件由N-BK7玻璃制成，并且所述第三光学元件由熔融硅石制成。
11.如权利要求1所述的物镜，其中fCL1和fFFL是正的而fCL2是负的。
12.如权利要求1所述的物镜，其中fCL1，fCL2和fFFL是正的。
13.光学装置，包括：
至少第一、第二、第三和第四激光器分别以第一、第二、第三和第四波长分别输送第一、第二、第三和第四分量激光束；
光束组合器，被布置用于将第一、第二、第三和第四分量激光束组合成组合光束；以及
物镜，仅包括三个单重光学元件，所述单重光学元件被布置成用于接收组合的激光束并聚焦组合的激光束，使得其分量激光束全部聚焦在共同的焦平面上；
其中，所述三个单重光学元件包括在组合光束的传播方向上顺序排列的具有焦距fCL1的第一圆柱形元件、具有焦距fCL2的第二圆柱形元件以及具有焦距fFFL的球形元件，并且
其中fCL1，f CL2和fFFL通过以下等式相关
fCL1 - fCL2 = G * fFFL
其中G为0.7至1.4。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述第一、第二、第三和第四波长分别为405nm、488、561nm和637nm。
15.如权利要求13所述的装置，其中G为0.9至1.1。
16.光学装置，包括：
至少第一、第二、第三和第四激光器分别以第一、第二、第三和第四波长分别输送第一、第二、第三和第四分量激光束，其中波长按照叙述数字顺序递减；
第一、第二、第三和第四望远镜，被布置成用于将所述分量激光束分别扩展成分别具有第一、第二、第三和第四光束直径的第一、第二、第三和第四准直分量激光束，光束直径按照叙述数字顺序递减；
光束组合器，被布置成将第一、第二、第三和第四准直分量激光束组合成组合光束；以及
物镜，仅包括三个单重光学元件，所述单重光学元件被布置成用于接收组合的激光束并聚焦所述组合的激光束，使得其分量激光束全部聚焦在共同的焦平面上；
其中，所述三个单重光学元件包括在组合光束的传播方向上顺序排列的具有焦距fCL1的第一圆柱形元件、具有焦距fCL2的第二圆柱形元件以及具有焦距fFFL的球形元件，并且
其中fCL1，f CL2和fFFL通过以下等式相关
fCL1 - fCL2 = G * fFFL
其中G为0.7至1.4。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述第一、第二、第三和第四光束直径与相应波长成线性关系减小。
18.如权利要求16所述的装置，其中G为0.9至1.1。
19.如权利要求16所述的装置，还包括第五激光器，所述第五激光器输送波长小于第四分量激光束的第五分量激光束，第五望远镜将所述第五分量激光束扩展成具有小于第四直径的第五直径的准直分量激光束，并且其中所述光束组合器被布置成将所有五个准直分量光束组合成所述组合光束。
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