CN111913292B - 一种弱光收集透镜系统及流式细胞分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弱光收集透镜系统，包括三个单透镜与一个三胶合透镜组，其中用于色差校正的三胶合透镜组采用了对称式结构，既实现了较大的数值孔径，又满足了短工作距离要求，便于加工和整个系统的装配，能有效校正像差。本发明还公开了一种流式细胞分析仪的结构。其中，弱光收集透镜系统在400nm～950nm的波长范围内，直径400μm圆形区域(即在0～200μm视场范围内)，点列斑都小于100μm，有利于后继光路的分光与聚焦。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，特别涉及一种弱光收集透镜系统及流式细胞分析仪。
背景技术
流式细胞分析仪能够快速定量分析细胞群的物理或化学性质，并依据这些特征信号差异精确分选细胞。流式细胞分析仪检测每个细胞受激光照射后的散射光信号和荧光激发信号，以反映细胞的物理特征和生化特征，如细胞的大小、活性、颗粒度、核酸的数量以及抗原分子的表达情况等。
流式细胞分析仪通常由光学系统、液路系统、电子系统等组成。其中光学系统通常都有一个或多个激光光源，不同波长的激光经过整形后照射到单细胞样本流上，细胞在激光的照射下会产生散射光，同时细胞表面经过不同试剂的处理，会结合一种或多种荧光素，当依次通过检测区的细胞在激光的照射下会产生对应波长的荧光。弱光收集透镜系统收集散射光和荧光，再经分光与会聚等光学元件把各波段的光信号进行收集，使不同种类的光分别进入到不同的光电探测器。一般情况下，流式细胞仪所检测的荧光波长在400nm～950nm之间，不同的荧光信号和强度反映出细胞抗原与抗体的特异性结合程度，从而实现对样本的分类定量分析和分选。
由于上述过程中产生的散射光、荧光非常微弱，所以弱光收集透镜系统需要尽可能多的收集光信号，针对弱光收集透镜系统来说，其数值孔径(Numerical Aperture NA)越大，收集到的弱光信号越强，具有该弱光收集透镜系统的仪器的弱光探测性能就越高。
目前各种流式细胞仪中的弱光收集透镜系统主要有三种：(1)直接采用现成的显微物镜产品镜头；(2)采用非球面镜；(3)针对流式定制的物镜。
显微物镜的NA与工作距离成反比，NA在1.0以上时，工作距离基本小于0.5mm，由于流式细胞仪中的流动室壁厚多数在1.5mm以上，即工作距离需要大于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，其收集的弱光信号能力有限；
单面非球面镜只能达到NA为0.65左右，且对于宽波长范围的荧光光谱不能矫正色差，采用非球面镜会提高加工与检测的工艺难度；
其他一些定制的物镜能够在指定的工作距离上达到NA为1.1以上，但是其镜片组结构复杂，加工装配成本高，工艺要求也较为严格。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种弱光收集透镜系统，能够利用更加简单的结构，达到较高的弱光收集效率。
本发明还提出一种具有上述弱光收集透镜系统的流式细胞分析仪。
根据本发明的第一方面实施例的弱光收集透镜系统，包括：
观察室，具有待测物体；
第一单透镜，包括朝向观察室的第三面和远离观察室的第四面，所述第三面与所述观察室连接；
第二单透镜，包括朝向所述第一单透镜的第五面和远离所述第一单透镜的第六面，所述第五面的曲率半径小于所述第六面的曲率半径；
第三单透镜，包括朝向所述第二单透镜的第七面和远离所述第二单透镜的第八面，所述第八面弯向所述观察室一侧；以及
三胶合透镜组，包括第一双凸透镜、第二双凸透镜和与所述第一双凸透镜和所述第二双凸透镜连接的双凹透镜；
其中，所述观察室、所述待测物体、所述第一单透镜、所述第二单透镜、所述第三单透镜、所述三胶合透镜组中心共线。
根据本发明实施例的弱光收集透镜系统，至少具有如下有益效果：利用三个单透镜与一个三胶合透镜组，得到了一种NA＝1.2的弱光透镜系统，这种结构不仅能收集更多的弱光信号，同时还节约了成本，降低了安装难度。
根据本发明的一些实施例，所述第一单透镜的第三面与所述观察室通过光学凝胶连接。
根据本发明的一些实施例，所述第一双凸透镜和第二双凸透镜由低折射率低色散冕玻璃制成。
根据本发明的一些实施例，所述双凹透镜由高折射率高色散火石玻璃制成。
根据本发明的一些实施例，所述第一单透镜的折射率小于1.51。
根据本发明的一些实施例，所述第一单透镜的第四面的曲率半径R4为-4.40mm<R4<-4.00mm。
根据本发明的一些实施例，所述第一单透镜的中心厚度T3为4.1mm<T3<5.0mm。
根据本发明的一些实施例，所述第一双凸透镜与所述第二双凸透镜相对于所述双凹透镜对称设置，且第一双凸透镜和第二双凸透镜曲率半径一致。
根据本发明的一些实施例，所述三胶合透镜组的有效焦距与弱光收集透镜系统的系统焦距的比值在7～8.5之间。
根据本发明的第二方面实施例的流式细胞分析仪，其特征在于，所述流式细胞分析仪的光学系统采用了上述的弱光收集透镜系统。
根据本发明实施例的流式细胞分析仪，至少具有如下有益效果：具有上述弱光收集透镜系统的流式细胞分析仪，能够减少制造成本和装配难度，从而增加在同类产品中的竞争力。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一的弱光收集透镜系统的示意图；
图2为本发明实施例二的弱光收集透镜系统的示意图；。
观察室100、待测物体110、鞘液120、流动室130、第一面131、第二面132、光学凝胶200、第一单透镜300、第三面301、第四面302、第二单透镜400、第五面401、第六面402、第三单透镜500、第七面501、第八面502、三胶合透镜组600、第一双凸透镜610、第九面611、第十面612、双凹透镜620、第二双凸透镜630、第十一面631、第十二面632。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
现有的细胞分析仪结构中，都是需要对细胞受到激光照射后产生的弱光进行分析。而现有的弱光收集透镜的结构相对复杂，制作成本高。
可以想到的是，本发明描述的弱光收集透镜系统，可以被用在任何需要对弱光进行分析的场景中，不仅限于细胞分析仪。
而且因为本弱光收集透镜系统是一种光学设备，任何能够偏转光线的材料，只要其色散系数和折射率接近于实施例中的光学凝胶、水、光学玻璃，都可以被使用，实施例中描述到的材料只是从成本、加工难易程度等角度考虑下的一种较优组合。
实施例一：
如图1所示，本发明的实施例一提供了一种系统有效焦距为7.5mm的弱光收集透镜系统的结构，包括观察室100、第一单透镜300、第二单透镜400、第三单透镜500以及三胶合透镜组600，这些部件的结构中心共线。
透镜的具体参数如表1所示。
表1实施例一的透镜参数表
表1中材料名称的简写在下面的描述中的括号内有体现，其中材料为air的代表相邻两透镜之间的空间，序号0代表鞘液120，序号1～12代表本透镜系统的第一至第十二面。对于序号为a(0≤a≤11)的厚度，是指序号a这一面到序号a+1面的厚度。弱光收集透镜组的第十二面到细胞仪其他结构的距离为105.8mm，体现为表中序号12的厚度。表1中，口径代表镜片的通光口径
其中，观察室100分为待测物体110，鞘液120，流动室130。待测物体110被浸在鞘液120中，鞘液120的中心厚度(中心点到流动室内壁的厚度)为0.09mm，鞘液的成分为水(water)。流动室内壁为第一面131，流动室130外壁为第二面132，第二面132到流动室130中心的尺寸为1.5mm，也就是说流动室130的中心厚度T1＝1.41mm，流动室的材料采用石英玻璃(SiO2)；流动室103与第一单透镜300之间用光学凝胶200耦合，光学凝胶200的厚度T2＝0.14mm，
透镜系统中的透镜采用四组六片结构，包括三组单透镜：第一单透镜300、第二单透镜400、第三单透镜500和一组三胶合透镜组600，三胶合透镜组600的三片透镜分别为第一双凸透镜610、双凹透镜620、第二双凸透镜630。
第一单透镜300是平凸透镜，采用中国玻璃库的牌号为QK3的光学玻璃(QK3_CHINA)制作，其平整的第三面301朝向流动室，凸起的第四面302曲率半径R4＝-4.37mm，中心厚度T3＝5mm，第一单透镜300材料的折射率nd＝1.49。
第二单透镜400是弯月透镜，采用中国玻璃库的牌号为LAF3的光学玻璃(LAF3_CHINA)制作，第二单透镜400的两个面，第五面401和第六面402都弯向流动室方向，靠近观测物的第五面401的曲率半径R5＝-10.44mm，远离观测物的第六面402的曲率半径R6＝-8.35mm。
第三单透镜500，采用中国玻璃库的牌号为ZK3的光学玻璃(ZK3_CHINA)制作，其靠近观测物的第七面501弯向流动室，曲率半径R7＝-65.23mm；远离观测物的第八面502弯向流动室，曲率半径R8＝-14.37mm。
三胶合透镜组600由两片具有正光焦度的双凸透镜：第一双凸透镜610、第二双凸透镜630，和一片负光焦度的双凹透镜620胶合在一起组成，第一双凸透镜610和第二双凸透镜630采用中国玻璃库的牌号为K9的冕玻璃(K9_CHINA)，这种冕玻璃具有较低的折射率和较低的色散度。双凹透镜620采用中国玻璃库牌号为ZF6的火石玻璃(ZF6_CHINA)，该火石玻璃具有较高的折射率和色散度。三胶合透镜组600的结构为对称形式，即三胶合透镜组600的第九面611的与第十二面632曲率半径大小相同，第九面的曲率半径R9＝25.19mm，第十二面632的曲率半径R12＝-25.19mm；第十面612与第十一面631曲率半径大小相同，第十面612的曲率半径R10＝-17.29mm，第十一面631的曲率半径R11＝17.29mm。所述三胶合透镜组600的有效焦距与系统有效焦距的比值是8.3。
实施例一中描述的弱光收集透镜系统，其数值孔径NA＝1.20；透镜系统视场范围为±300μm；透镜系统的色差校正兼顾波长400nm～810nm；在0～200μm视场范围，点列斑大小(RMS)均能达到RMS<100μm；透镜系统垂轴放大倍率15X。
上述实施例一只是体现了本发明的整体结构为四组六片结构，如果不改变透镜的数量和组合方式，仅仅是改变透镜角度、材质、折射率，一样属于本领域技术人员所熟知的方式。例如实施例二中描述的结构
实施例二：
如图2所示，本发明的实施例二提供了一种系统有效焦距为9.95mm的弱光收集透镜系统的结构，包括观察室100、第一单透镜300、第二单透镜400、第三单透镜500以及三胶合透镜组600，这些部件的结构中心共线。
透镜的具体参数如表2所示。
表2实施例二的透镜参数表
表2中材料名称的简写在下面的描述中的括号内有体现，其中材料为air的代表相邻两透镜之间的空间，序号0代表序号0代表鞘液120，序号1～12代表本透镜系统的第一至第十二面。对于序号a(0≤a≤11)的厚度，则是值序号a这一面到序号a+1面的厚度。弱光收集透镜组的第十二面到细胞仪其他结构的距离为97.6mm，体现为表中序号12的厚度。表2中，口径代表镜片的通光口径大小。
其中，观察室系统100分为待测物体110，鞘液120，流动室130。待测物体110被浸在鞘液120中，鞘液120的中心厚度(鞘液中心点到流动室内壁的厚度)为0.1mm，鞘液的成分为水(water)。流动室内壁为第一面131，流动室130外壁为第二面132，第二面132到流动室130中心的尺寸为1.5mm，也就是说流动室130的中心厚度T1＝1.4mm，流动室130的材料采用一种石英玻璃(SiO2_SPECIAL)；流动室103与第一单透镜300之间用光学凝胶200耦合，光学凝胶200的厚度T2＝0.2mm，透镜系统中的透镜采用四组六片结构，包括三组单透镜：第一单透镜300、第二单透镜400、第三单透镜500和一组三胶合透镜组600，三胶合透镜组600的三片透镜分别为第一双凸透镜610、双凹透镜620、第二双凸透镜630。
第一单透镜300是平凸透镜，采用中国玻璃库的牌号为K3的光学玻璃(K3_CHINA)制作，其平整的第三面301朝向流动室，凸起的第四面302曲率半径R4＝-4.05mm，中心厚度T3＝4.16mm，第一单透镜300材料的折射率nd＝1.50。
第二单透镜400是弯月透镜，采用中国玻璃库的牌号为LAF3的光学玻璃(LAF3_CHINA)制作，第二单透镜400的两个面，第五面401和第六面402都弯向流动室方向，靠近观测物的第五面401的曲率半径R5＝-13.55mm，远离观测物的第六面402的曲率半径R6＝-8.81mm。
第三单透镜500，采用中国玻璃库的牌号为ZK3的光学玻璃(ZK3_CHINA)制作，其靠近观测物的第七面501背向流动室，曲率半径R7＝90.36mm；远离观测物的第八面502弯向流动室，曲率半径R8＝-19.14mm。
三胶合透镜组600由两片具有正光焦度的双凸透镜：第一双凸透镜610、第二双凸透镜630，和一片负光焦度的双凹透镜620胶合在一起组成，第一双凸透镜610和第二双凸透镜630采用中国玻璃库的牌号为K9的光学玻璃(K9_CHINA)，这种冕玻璃具有较低的折射率和较低的色散度。双凹透镜620采用中国玻璃库牌号为ZF6的光学玻璃(ZF6_CHINA)，该火石玻璃具有较高的折射率和色散度。三胶合透镜组600的结构为对称形式，即三胶合透镜组600的第九面611的与第十二面632曲率半径大小相同，第九面611的曲率半径R9＝24.49mm，第十二面632的曲率半径R12＝-24.49mm；第十面612与第十一面631曲率半径大小相同，第十面612的曲率半径R10＝-15.00mm，第十一面631的曲率半径R11＝15.00mm。所述三胶合透镜组600的有效焦距与系统有效焦距的比值是7.1。
实施例二中描述的弱光收集透镜系统，其数值孔径NA＝1.20；透镜系统视场范围为±300μm；透镜系统的色差校正兼顾波长400nm～810nm；在0～200μm视场范围，点列斑大小(RMS)均能达到RMS<100μm；透镜系统垂轴放大倍率15X。
本申请的又一实施例提供了一种流式细胞分析仪，其特征在于，流式细胞分析仪中的光学系统，具有上面描述的弱光收集透镜系统中的任意一种。流式细胞分析仪的其余结构属于现有技术，此处不再赘述。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种弱光收集透镜系统，其特征在于，包括：
观察室(100)，具有待测物体(110)；
第一单透镜(300)，包括朝向观察室(100)的第三面(301)和远离观察室(100)的第四面(302)，所述第三面(301)与所述观察室(100)连接；
第二单透镜(400)，包括朝向所述第一单透镜(300)的第五面(401)和远离所述第一单透镜(300)的第六面(402)，所述第五面(401)的曲率半径小于所述第六面(402)的曲率半径；
第三单透镜(500)，包括朝向所述第二单透镜(400)的第七面(501)和远离所述第二单透镜(400)的第八面(502)，所述第八面(502)弯向所述观察室(100)一侧；以及
三胶合透镜组(600)，包括第一双凸透镜(610)、第二双凸透镜(630)和与所述第一双凸透镜(610)和所述第二双凸透镜(630)连接的双凹透镜(620)；
其中，所述观察室(100)、所述待测物体(110)、所述第一单透镜(300)、所述第二单透镜(400)、所述第三单透镜(500)、所述三胶合透镜组(600)中心共线。
2.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一单透镜(300)的第三面(301)与所述观察室(100)通过光学凝胶(200)连接。
3.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一双凸透镜(610)和第二双凸透镜(630)由低折射率低色散冕玻璃制成。
4.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述双凹透镜(620)由高折射率高色散火石玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一单透镜(300)的折射率小于1.51。
6.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一单透镜(300)的第四面(302)的曲率半径R4为-4.40mm<R4<-4.10mm。
7.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一单透镜(300)的中心厚度T3为4.1mm<T3<5.0mm。
8.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述第一双凸透镜(610)与所述第二双凸透镜(630)相对于所述双凹透镜(620)对称设置，且所述第一双凸透镜(610)和所述第二双凸透镜(630)曲率半径一致。
9.根据权利要求1所述的弱光收集透镜系统，其特征在于，所述三胶合透镜组(600)的有效焦距与弱光收集透镜系统的系统焦距的比值在7～8.5之间。
10.一种流式细胞分析仪，其特征在于，所述流式细胞分析仪的光学系统采用了上述权利要求1～9中任意一项所述的弱光收集透镜系统。
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| CN202010679870.1A CN111913292B (zh) | 2020-07-15 | 2020-07-15 | 一种弱光收集透镜系统及流式细胞分析仪 |
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