CN110361856B - 用于发光检测仪的二次光学透镜模组以及发光检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二次光学透镜模组，包括：第一透镜单元，其包括位于内圈的入射聚光面以及位于外圈的全反射面，入射光束经过第一透镜单元得到偏转315°的出射光束，且出射光束的直径小于等于发光体直径的四分之一；第二透镜单元，包括至少一个直角棱镜，第二透镜单元的入射面与第一透镜单元的出射面相平行，第二透镜单元的出射光束相对于第一透镜单元的出射光束偏转‑45°，且在水平方向上相对于发光体的中心偏移。该二次光学透镜模组将发光体两侧面和背面的光线通过内部全反射予以收集并汇聚到在光电传感器的感光面上，在本质上增加发光体的光线强度，实现检测的一致性和准确性，避免传统发光检测仪的因光线强度超低而导致的一致性差和准确性差问题。
Description
技术领域
本发明涉及发光检测设备技术领域，特别涉及一种用于发光检测仪的二次光学透镜模组以及发光检测仪。
背景技术
化学发光类型检测仪，是将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合，用于各种抗原、半抗原、抗体、激素、酶、脂肪酸、维生素和药物等的检测分析技术。在超低浓度检测时其灵敏度存在线性关系不理想，由于不同浓度检测时的灵敏度存在差异，使得如何提升低浓度检测、甚至超低浓度检测时的灵敏度成为本技术领域的关注重点。目前常用的做法是采用多级放大电路的方式来提升仪器的灵敏度，但是这种基于电路本身的设计类似于日常数码相机中的数码放大变焦，会带来噪声干扰，造成信噪比失常，同时影响检测结果的准确性。
综上，有必要针对现有化学发光仪的灵敏度低、准确性低的问题进行改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状提供一种能够从光学角度提升检测灵敏度和准确度的用于发光检测仪的二次光学透镜模组。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状提供一种能够从光学角度提升检测灵敏度和准确度的发光检测仪。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：提供一种用于发光检测仪的二次光学透镜模组，包括：
位于所述发光体左右两侧的至少一个第一透镜单元，所述第一透镜单元包括位于内圈的入射聚光面以及位于外圈的全反射面，所述发光体一侧的入射光束经过所述第一透镜单元得到偏转315°的出射光束，且所述出射光束的直径小于等于所述发光体直径的四分之一；
位于所述发光体后侧的第二透镜单元，所述第二透镜单元包括至少一个直角棱镜，所述第二透镜单元的入射面与所述第一透镜单元的出射面相平行，所述第二透镜单元的出射光束相对于所述第一透镜单元的出射光束偏转-45°，且所述第二透镜单元的出射光束相对于所述第一透镜单元的出射光束在水平方向上相对于所述发光体的中心偏移。
进一步地，所述入射聚光面靠近所述发光体的一侧设置，用以接收并汇聚所述发光体一侧边的光线，得到汇聚的第一光束，该入射聚光面可以为平面或曲面；所述入射聚光面的曲面的焦距小于等于所述发光体直径的6倍。
进一步地，由于入射聚光面的曲率和光线距离有关系，当曲率过大时与发光体之间间距就过大，曲率过小整个透镜的体积就过大，因此所述入射聚光面的曲率为所述发光体直径的四分之一。
进一步地，所述入射聚光面包括第一曲面、第二曲面以及连接于所述第一曲面和第二曲面之间的平面或圆锥面。
进一步地，所述全反射面包括位于外圈的第一面、第二面和第三面，其中，所述第一面用以将第一光束调直并偏转，得到准直的第二光束，所述第二光束相对于所述入射光束偏转90°；所述第二面用以汇聚并偏转第二光束，得到第三光束，所述第三光束的光斑小于所述第一光束的光斑；所述第三面用以将第三光束调直并偏转，得到第四光束，所述第四光束相对于所述入射光束偏转270°；所述第二面的法线方向与所述第一面、第三面的法线方向的夹角均为60°～0°。所述第一面、第二面和第三面均为全反射凹面。
作为优选，所述第二光束的直径小于等于所述发光体直径的二分之一；及/或，所述第三光束最外侧的边缘光线与水平面的夹角小于等于10°。进一步优选，该夹角为4.65°。
进一步地，所述第二透镜单元包括两个并排放置的直角棱镜，所述两个直角棱镜的斜边首尾相连构成所述第二透镜单元的出射面，所述两个直角棱镜的内侧的直角边分别构成所述第二透镜单元的入射面。
进一步地，所述第二透镜单元的出射面的长度大于等于所述发光体的直径；及/或，所述第二透镜单元的入射面的长度为所述发光体直径的四分之一。
进一步地，所述第二透镜单元的入射面为与水平方向夹角呈45°的平面或圆锥面。
进一步地，所述第一透镜单元和第二透镜单元构成环状一体式结构或呈对称的柱状结构。
进一步地，所述第一透镜单元和第二透镜单元均由PMMA(poly(methylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，又称亚克力)制成，但是不限于用PMMA也可以使用其他材料，位于所述第一透镜单元的外圈的全反射面设有铝镀层或银镀层等金属镀层，现在反光材料很多。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：提供一种发光检测仪，包括壳体、用以支撑样本容器的支撑底座、设于所述样本容器前侧的凸透镜、设于凸透镜前的光电传感器、用以富集样本的富集装置，还包括上述的二次光学透镜模组，所述光电传感器的感光面朝向所述凸透镜，所述富集装置包括多倍数过滤组件和多倍数收集组件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该二次光学透镜模组将发光体两侧面和背面的光线通过内部全反射予以收集并汇聚到在光电传感器的感光面上，在本质上增加发光体的光线强度，实现检测的一致性和准确性，避免传统发光检测仪的因光线强度超低而导致的一致性差和准确性差问题，结构合理实用。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例的二次光学透镜模组的结构示意图；
图2为图1中二次光学透镜模组的光线走向示意图；
图3为本发明另一个实施例的二次光学透镜模组的结构示意图；
图4为本发明再一个实施例的二次光学透镜模组的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本优选实施例所提供的二次光学透镜模组用于光学检测仪，对于检测仪中的待检发光体20，其周圆发光符合郎伯型(Lambertian distribution)散布，中间光强比拟强，并且是对称的圆形光斑散布。当发光体20所含发光物质含量较多时候，可以视同面发光，当发光体20含量很少甚至超微量时候，将要视同点发光，即点光源。目前光电传感器的感光面只能接受发光体20一侧面的一部分光线的光强度，并以此进行光电的转换，获得检测数值，如果发光体20的发光光强度在一定值以上，其线性关系良好而且能较好的维持，但是当周圆发光体20发出的光量值极其微弱情况时，在感光面上进行的定量检测就会出现失真，比如其可能原因在于，在化学发光法中，尤其是生物发光法中检测细胞或微生物应用于超微量等发光检测中，有时只有几个发光物质，并分布位置并不是非常的确定，对于检测传感器而言，由于受到平方反比定律约束，传感器感受面所得到光强度受到位置不同而得到数据会有极大偏值，进而导致检测超微量时线性关系不好和一致性不好，就会出现检测值的失真现象。即由于发光体20的发光点位置不同，在感光面所收集的光线强度不足所造成。
本优选实施例通过设于光学检测仪中的二次光学透镜模组以从本质上解决上述问题。由于LED光源得到爆发式发展，特别是TIR镜的研究也充分发挥出来，全反射(TIR)二次光学透镜是LED照明系统中较为常见的配光透镜，如手电筒、射灯、筒灯、走廊灯、投光灯的灯具，都用到了全反射二次光学透镜。它的结构基本上为中间一个非球面凸透镜40，边缘有一圈全反射棱镜。
对于该光学检测仪而言，其大致呈一个完全密闭的六面箱体，可以由金属或非金属材料制成，该箱体上留有安装孔，每个安装孔内设有避光的螺纹及反光堵、胶圈。本优选实施例所涉及的发光体20包括生物发光、化学发光、激光发光等。所述样本收集装置采用多倍数过滤收集的方式。该一种发光检测仪，具体包括壳体、用以支撑样本容器的支撑底座、设于所述样本容器前侧的凸透镜40、设于凸透镜40前的光电传感器、用以富集样本的富集装置，以及二次光学透镜模组，其中，光电传感器的感光面朝向凸透镜40，富集装置包括多倍数过滤组件和多倍数收集组件。值得一提的是，该富集装置采用过滤收集法，可以多级量收集样本，较为适合液体和气体样本的采集。可以采用多倍数方式收集一定单位容积方式将样本采集到检测管中，计算检测其定量值时，再相应换算原收集的倍数，可大幅度提高一致性和准确性。
具体地，参阅图1和图2所示，上述二次光学透镜模组，包括：位于所述发光体20左右两侧的至少一个第一透镜单元10，所述第一透镜单元10包括位于内圈的入射聚光面11以及位于外圈的全反射面，所述发光体20一侧的入射光束经过所述第一透镜单元10得到偏转315°的出射光束，且所述出射光束的直径小于等于所述发光体20直径的四分之一；位于所述发光体20后侧的第二透镜单元30，所述第二透镜单元30包括至少一个直角棱镜31，所述第二透镜的入射面与所述第一透镜的出射面相平行，所述第二透镜单元30的出射光束相对于所述第一透镜的出射光束偏转-45°，且所述第二透镜单元30的出射光束相对于所述第一透镜的出射光束在水平方向上相对于所述发光体20的中心偏移。
此外，上述发光检测仪内的凸透镜40设于光电传感器与发光体20之间，所述凸透镜40能够将发光体20前侧的光线汇集并投射到光电传感器的感光面上；依据凸透镜40透光直径，焦距及光电传感器的感光面尺寸，设计得出光电传感器的感光面距离凸透镜40光心的距离，即凸透镜40的焦平面位置。该凸透镜40设有增透膜。当出射光垂直进入凸透镜40，由于凸透镜40折射作用，将汇集在焦平面位置，此时正对面的发光体20所发出的全部光线将被光电传感器的感光面所接受。
本优选实施例中，第一透镜单元10和第二透镜单元30构成环状一体式结构或呈对称的柱状结构。该第一透镜单元10和第二透镜单元30均由PMMA制成，位于所述第一透镜单元10的外圈的全反射面设有铝镀层或银镀层。具体而言，通过多轴加工可形成环状对称的结构，通过工业化模具方式，可形成柱状对称的结构。以上加工方式更便于制作，可减少分体式可能造成位置偏离而影响汇集效果，光线衰减一般都是在不同介质中变换造成，穿过透镜或者反射面镜造成，而在透镜本体内全反射，根据光量守恒定律，除经过透镜部分外，理论上在透镜内部是没有任何衰减，有利于汇集后的检测。
进一步地，所述入射聚光面11靠近所述发光体20的一侧设置，用以接收并汇聚所述发光体20一侧边的光线，得到汇聚的第一光束β1，该入射聚光面11可以为平面或曲面；所述入射聚光面11的曲面的焦距小于等于所述发光体20直径的6倍。
进一步地，由于入射聚光面11的曲率和光线距离有关系，当曲率过大时与发光体20之间间距就过大，曲率过小整个透镜的体积就过大，因此所述入射聚光面11的曲率为所述发光体20直径的四分之一。
进一步地，参阅图3和图4所示，所述入射聚光面11包括第一曲面111、第二曲面112以及连接于所述第一曲面111和第二曲面112之间的平面或圆锥面113。
进一步地，所述全反射面包括位于外圈的第一面121、第二面122和第三面123，其中，所述第一面121用以将第一光束β1调直并偏转，得到准直的第二光束β2，所述第二光束β2相对于所述入射光束偏转90°；所述第二面122用以汇聚并偏转第二光束β2，得到第三光束β3，所述第三光束β3的光斑小于所述第一光束β1的光斑；所述第三面123用以将第三光束β3调直并偏转，得到第四光束β4，所述第四光束β4相对于所述入射光束偏转270°；所述第二面2的法线方向与所述第一面121、第三面123的法线方向的夹角均为60°～0°。所述第一面121、第二面122和第三面123均为全反射凹面。
作为优选，所述第二光束β2的直径小于等于所述发光体20直径的二分之一；及/或，所述第三光束β3最外侧的边缘光线与水平面的夹角小于等于10°。进一步优选，该夹角为4.65°。
进一步地，所述第二透镜单元30包括两个并排放置的直角棱镜31，所述两个直角棱镜31的斜边首尾相连构成所述第二透镜单元30的出射面，所述两个直角棱镜31的内侧的直角边分别构成所述第二透镜单元30的入射面。
直角棱镜31本身有较大的接触面积以及有45°，90°这样典型的角度，所以和普通的反射镜相比，直角棱镜31更容易安装，对机械应力具有更好的稳定性和强度。
第二透镜单元30类似菲涅尔透镜，可以有多个棱形的界面，以将发光体20发出来的光线，以反射形式再次汇集在感光面上，同时可以将侧面全反射的光线，通过增透膜低损耗的汇集在感光面上。
进一步地，所述第二透镜单元30的出射面的长度大于等于所述发光体20的直径；及/或，所述第二透镜单元30的入射面的长度为所述发光体20直径的四分之一。
进一步地，所述第二透镜单元30的入射面为与水平方向夹角呈45°的平面或圆锥面113。当上述透镜模组为柱状结构时该第二透镜单元30的入射面是和垂直线呈现45°夹角的水平面，当上述透镜模组为环状体结构时，该第二透镜单元30的入射面是和垂直线呈现45°夹角的圆锥面。
上述二次光学透镜模组是将发光体20的水平的平行光线，经过全反射透镜内部，将光线经过几次全反射后，调成准直光线，最后汇集在感光面上。
通过二次曲面的设计，采用非球面凸透镜40，计算透镜曲面时其曲率半径、高度和顶点坐标作为偏微分方程的初始条件，依据斯涅尔定律、边缘光线原理、光束扩展度守恒等原理，根据检测镜在X、Y方向的对称配光的要求，建立起发光体20光源出射光线的角度与感光面平面上的照明点的坐标的对应关系。根据对应关系迭代计算出复合曲面上其它点的空间坐标，把点坐标值导入制图软件进行曲线重构。
上述二次光学透镜模组将发光体20两侧面和背面的光线通过内部全反射予以收集并汇聚到在光电传感器的感光面上，在本质上增加发光体20的光线强度，实现检测的一致性和准确性，避免传统发光检测仪的因光线强度超低而导致的一致性差和准确性差问题。提供的发光检测仪结构简单紧凑合理。
本优选实施例所遵循的原理如下所述：
1、光学扩展量守恒：光学扩展量，用于描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性。光学扩展量(Etendue)，光束所通过的面积和光束所占有的立体角的积分。Etendue＝n2∫∫cos(θ)dAdW，其中，θ是面元dA的法线与立体角dW中心轴之间的夹角。
2、斯涅尔定律(Snell law)：斯涅尔定律表明，当光波从介质1传播到介质2时，假若两种介质的折射率不同，则会发生折射现像，其入射光和折射光都处于同一平面，称为“入射平面”，并且与界面法线的夹角满足如下关系：n1sinθ1＝n2sinθ2。
其中，n1、n2分别是两种介质的折射率，θ1、θ2分别是入射光、折射光与界面法线的夹角，分别为“入射角”、“折射角”。
3、边缘光线原理：边缘光线原理是非成像光学中最为基础的原理即：来自光源边线的光线经过若干的光学器偏折必定射向接收器的边缘，而来自光源内部的光线，也对应射向接收器内部。
4、朗伯余弦定理：不同角度接受到的光强是观察角的余弦变化，对于除去正面发光体20所发出光线，简单视同准直线外，其他角度光线由于是余弦值变化，所得到光强度就极低。
5、平方反比定律：如果任何一个物理定律中，某种物理量的分布或强度，会按照距离源的远近的平方反比而下降。
需要说明的是，本实施例的描述中，术语“前、后”、“左、右”、“上、下”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (10)
1.一种用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，包括：
位于所述发光体(20)左右两侧的至少一个第一透镜单元(10)，所述第一透镜单元(10)包括位于内圈的入射聚光面(11)以及位于外圈的全反射面，所述发光体(20)一侧的入射光束经过所述第一透镜单元(10)得到偏转315°的出射光束，且所述出射光束的直径小于等于所述发光体(20)直径的四分之一；
所述全反射面包括位于外圈的第一面(121)、第二面(122)和第三面(123)，其中，所述第一面(121)用以将第一光束(β1)调直并偏转，得到准直的第二光束(β2)，所述第二光束(β2)相对于所述入射光束偏转90°；所述第二面(122)用以汇聚并偏转第二光束(β2)，得到第三光束(β3)，所述第三光束(β3)的光斑小于所述第一光束(β1)的光斑；所述第三面(3)用以将第三光束(β3)调直并偏转，得到第四光束(β4)，所述第四光束(β4)相对于所述入射光束偏转270°；所述第二面(122)的法线方向与所述第一面(121)、第三面(123)的法线方向的夹角均为60°~0°；
位于所述发光体(20)后侧的第二透镜单元(30)，所述第二透镜单元(30)包括至少一个直角棱镜(31)，所述第二透镜单元(30)的入射面与所述第一透镜单元(10)的出射面相平行，所述第二透镜单元(30)的出射光束相对于所述第一透镜单元(10)的出射光束偏转-45°，且所述第二透镜单元(30)的出射光束相对于所述第一透镜单元(10)的出射光束在水平方向上相对于所述发光体(20)的中心偏移；
所述第一透镜单元（10）和第二透镜单元（30）构成环状一体式结构或呈对称的柱状结构。
2.根据权利要求1所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述入射聚光面(11)靠近所述发光体(20)的一侧设置，用以接收并汇聚所述发光体(20)一侧边的光线，得到汇聚的第一光束(β1)；所述入射聚光面(11)的曲面的焦距小于等于所述发光体(20)直径的6倍。
3.根据权利要求2所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述入射聚光面(11)的曲率为所述发光体(20)直径的四分之一。
4.根据权利要求2所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述入射聚光面(11)包括第一曲面(111)、第二曲面(112)以及连接于所述第一曲面(111)和第二曲面(112)之间的平面或圆锥面(113)。
5.根据权利要求1所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述第二光束(β2)的直径小于等于所述发光体(20)直径的二分之一；及/或，所述第三光束(β3)最外侧的边缘光线与水平面的夹角小于等于10°。
6.根据权利要求5所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述第二透镜单元(30)包括两个并排放置的直角棱镜(31)，所述两个直角棱镜(31)的斜边首尾相连构成所述第二透镜单元(30)的出射面，所述两个直角棱镜(31)的内侧的直角边分别构成所述第二透镜单元(30)的入射面。
7.根据权利要求6所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述第二透镜单元(30)的出射面的长度大于等于所述发光体(20)的直径；及/或，所述第二透镜单元(30)的入射面的长度为所述发光体(20)直径的四分之一。
8.根据权利要求7所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述第二透镜单元(30)的入射面为与水平方向夹角呈45°的平面或圆锥面。
9.根据权利要求1所述的用于发光检测仪的二次光学透镜模组，其特征在于，所述第一透镜单元(10)和第二透镜单元(30)均由PMMA制成，位于所述第一透镜单元(10)的外圈的全反射面设有铝镀层或银镀层。
10.一种发光检测仪，其特征在于，包括壳体、用以支撑样本容器的支撑底座、设于所述样本容器前侧的凸透镜(40)、设于凸透镜(40)前的光电传感器、用以富集样本的富集装置，还包括如权利要求1~9任一项所述的二次光学透镜模组，所述光电传感器的感光面朝向所述凸透镜(40)，所述富集装置包括多倍数过滤组件和多倍数收集组件。
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