CN115452683B - 一种荧光收集镜头及荧光收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种荧光收集镜头及荧光收集系统，荧光收集镜头包括共轴且依次间隔布置的平凸透镜、弯月透镜、双凸透镜、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜，平凸透镜一侧的平面为光入射表面，弯月透镜一侧的凹面为光入射面，双凸透镜中曲率半径大的表面为光入射面，第一双胶合透镜的正透镜的外表面为光入射面，第一双胶合透镜的负透镜的外表面为光出射面，第二双胶合透镜的负透镜的外表面为光入射面，第二双胶合透镜的正透镜的外表面为光出射面。本发明实现了大数值孔径要求；满足不小于360μm物方视场范围要求；大于10×或者小于‑10×横向放大率的要求；500～800nm光谱范围的色差矫正要求；像方数值孔径匹配光纤数值孔径的要求等。

Description

一种荧光收集镜头及荧光收集系统

技术领域

本发明涉及体外诊断器械领域，具体涉及一种荧光收集镜头及荧光收集系统。

背景技术

在流式细胞仪中，细胞以每秒10000个细胞(或更多)的速度通过仪器并进行检测，可以为细胞生物学提供广泛的统计学功能。细胞通过仪器的激光束可产生特异性荧光信号，然后通过收集镜头收集，进一步通过分光模块将多色荧光信号拆解到对应通道接收。荧光收集镜头的数值孔径(Numerical aperture，即NA)越大意味着收集光的能力越强，对于仪器性能来说，荧光信号越强，探测性能也就越好，灵敏度也就越高。因此大数值孔径的荧光收集镜头对流式细胞仪很重要。

为了满足科研及部分临床用户多维度、多指标的检测要求，应运而生的是多激光流式细胞仪，主流厂商制造的流式细胞仪早已不仅搭载1只激光器、2只激光，市面最多可见搭载7只激光的流式细胞仪，波长可以是320nm、355nm、405nm、488nm、561nm、638nm、808nm。因此，也对荧光收集镜头提出了更高要求。除了要求大数值孔径的技术指标外，还要求有以下关键性指标：一是对物方视场要求，7只激光的激光束通常是沿着流动池样本流方向等间隔排列，而要实现对最多7只的激光器激发产生的荧光的收集，考虑的激光束本身大小及检测颗粒不能骑跨两束激光的要求激光在空间分布，在空间中隔了一定间隔，一个颗粒只能被一束激光激发，，间隔应最少60μm，因此要求物方视场最少是360μm以上；二是对横向放大率要求，粒子产生的荧光信号通过镜头成像，需要再次引导到多个分光模块才能最终实现进一步拆解。使用光纤作为介质是较为普遍的一种方式，通常200～400μm芯径的多模石英光纤是首选，芯包层固有结构尺寸加上光纤接头加工考虑，光纤间距至少在0.8mm以上，因此对应的横向放大率一般要求在10×以上(成倒像时，横向放大率应小于-10×)；三是消像差要求：荧光收集镜头收集500～800nm范围的轴上及轴外视场荧光信号，那么就要考虑各视场弥散斑大小。弥散斑指标要求越小越好，最好小于100μm；另外设计上还要考虑像方数值孔径的小于光纤数值孔径，以保证光纤良好的耦合效率。

现有还未有满足上述关键性指标的荧光收集镜头。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题的一种或几种，提供了一种荧光收集镜头以及荧光收集系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种荧光收集镜头，包括共轴且依次间隔布置的平凸透镜、弯月透镜、双凸透镜、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜，所述平凸透镜一侧的平面为光入射表面，所述弯月透镜一侧的凹面为光入射面，所述双凸透镜中曲率半径大的表面为光入射面，所述第一双胶合透镜的正透镜的外表面为光入射面，所述第一双胶合透镜的负透镜的外表面为光出射面，所述第二双胶合透镜的负透镜的外表面为光入射面，所述第二双胶合透镜的正透镜的外表面为光出射面。

本发明的有益效果是：本发明的荧光收集镜头，采用一个平凸透镜，一个弯月透镜，一个双凸透镜以及两个双胶合透镜进行组合，实现了大数值孔径要求；满足了不小于360μm物方视场范围要求；大于10×(成正立像时)或者小于-10×(成倒像时)横向放大率的要求；500～800nm光谱范围的色差矫正要求；像方数值孔径匹配光纤数值孔径的要求等。以上要求能够很好地满足多激光流式细胞仪对荧光收集镜头的需求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述平凸透镜另一侧的凸面为球面或非球面；所述弯月透镜一侧的凸面以及另一侧的凹面分别为球面或非球面；所述双凸透镜两侧的凸面分别为球面或非球面；所述第一双胶合透镜和第二双胶合透镜均采用低色散的正透镜和高色散的负透镜胶合在一起，所述低色散的正透镜和高色散的负透镜的胶合面曲率相同。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过对各个透镜的选择，能够解决多激光器(比如5只、6只、7只等)的流式细胞仪对收集镜头的特定需求。

进一步，所述平凸透镜采用H-K3玻璃材料，所述弯月透镜采用ZF6玻璃材料，所述双凸透镜采用H-ZK3玻璃材料；所述第一双胶合透镜的正透镜采用H-ZK3材料，所述第一双胶合透镜的负透镜采用ZF6玻璃材料；所述第二双胶合透镜的负透镜采用ZF6材料，第二双胶合透镜的正透镜采用H-K3玻璃材料。

一种荧光收集系统，包括上述的荧光收集镜头，还包括激光光源、流动池、多路分叉光纤束以及分光模块，所述激光光源、流动池、荧光收集镜头、多路分叉光纤束以及分光模块均沿光轴方向依次同轴布置，所述多路分叉光纤束邻近所述荧光收集镜头的一侧面为像面。

进一步，所述多路分叉光纤束包括光纤接头和多路光纤，多路光纤的一端均与光纤接头连接，所述光纤接头邻近所述荧光收集镜头的一侧面为像面，所述像面与所述荧光收集镜头的光出射面间隔布置。

进一步，多路光纤依次沿竖直方向自上而下等间距排列。

进一步，多路光纤包括七路光纤，七路光纤依次沿竖直方向自上而下等间距排列，并分别对应接收激光波长808nm、638nm、561nm、488nm、405nm、355nm、320nm所激发产生的荧光。

进一步，多路光纤分别采用芯径200～400μm的多模光纤，多路光纤中相邻两路光纤的设置间隔为0.8～1.2mm。

进一步，所述流动池靠近荧光收集镜头的一侧玻璃壁厚为1.5mm。

进一步，所述第二双胶合透镜的光出射面与所述多路分叉光纤的像面之间的间距为75mm。

附图说明

图1为本发明荧光收集镜头的排布示意图；

图2为本发明荧光收集系统的光路示意图；

图3为图2流动池局部放大示意图；

图4为图2镜头视场设置示意图；

图5为图2的多路分叉光纤束端面放大示意图；

图6为图2的弥散光斑标准点列图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、荧光收集镜头；21、流动池；11、平凸透镜；12、弯月透镜；13、双凸透镜；14、第一双胶合透镜；15、第二双胶合透镜；31、多路分叉光纤束；201、物面；211、流动池前表面；212、流动室后表面。

111、第一平凸透镜表面；112、第二平凸透镜表面；121、第一弯月透镜表面；122、第二弯月透镜表面；131、第一双凸透镜表面；132、第二双凸透镜表面；141、第一双胶合透镜表面A；142、第一双胶合透镜表面B；143、第一双胶合透镜表面C；151、第二双胶合透镜表面A；152、第二双胶合透镜表面B；153、第二双胶合透镜表面C；

310、光纤接头；311、第一光纤；312、第二光纤；313、第三光纤；314、第四光纤；315、第五光纤；316、第六光纤；317、第七光纤；301、像面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例的一种荧光收集镜头，包括共轴且依次间隔布置的平凸透镜11、弯月透镜12、双凸透镜13、第一双胶合透镜14和第二双胶合透镜15，所述平凸透镜11一侧的平面为光入射表面，所述弯月透镜12一侧的凹面为光入射面，所述双凸透镜13中曲率半径大的表面为光入射面，所述第一双胶合透镜14的正透镜的外表面为光入射面，所述第一双胶合透镜14的负透镜的外表面为光出射面，所述第二双胶合透镜15的负透镜的外表面为光入射面，所述第二双胶合透镜15的正透镜的外表面为光出射面。

其中，如图1所示，本实施例的平凸透镜11为凸透镜的一种，所述平凸透镜11的两个表面分别为第一平凸透镜表面111和第二平凸透镜表面112，所述第一平凸透镜表面111为平面，所述第二平凸透镜表面112为凸面，该凸面可以为球面或非球面；所述弯月透镜12的两个表面分别为第一弯月透镜表面121和第二弯月透镜表面122，所述第一弯月透镜表面121为凹面，所述第二弯月透镜表面122为凸面，该凸面以及凹面可以为球面或非球面；所述双凸透镜13的两个表面分别为第一双凸透镜表面131和第二双凸透镜表面132，所述第一双凸透镜表面131和第二双凸透镜表面132均为凸面，该凸面可以为球面或非球面；所述第一双胶合透镜14和第二双胶合透镜15均采用低色散的正透镜(凸透镜)和高色散的负透镜(凹透镜)胶合在一起，所述低色散的正透镜和高色散的负透镜的胶合面曲率相同；其中，所述第一双胶合透镜14的两个外表面分别为第一双胶合透镜表面A141和第一双胶合透镜表面C143，所述第一双胶合透镜14还具有一个内嵌的第一双胶合透镜表面B142，第一双胶合透镜14的正透镜和负透镜通过第一双胶合透镜表面B142胶合在一起；所述第二双胶合透镜15的两个外表面分别为第二双胶合透镜表面A151和第二双胶合透镜表面C153，所述第二双胶合透镜15还具有一个内嵌的第二双胶合透镜表面B152，第二双胶合透镜15的正透镜和负透镜通过第二双胶合透镜表面B152胶合在一起。通过对各个透镜的选择，能够解决多激光器(比如5只、6只、7只等)的流式细胞仪对收集镜头的特定需求。

具体的，本实施例的所述平凸透镜11采用H-K3玻璃材料(n＝1.50，Vd＝64.78，其中n代表玻璃材料的折射率，Vd代表玻璃材料的色散率，是光学玻璃材料常见的两个最基本的参数)；所述弯月透镜12采用ZF6玻璃材料(n＝1.75，Vd＝27.55)；所述双凸透镜13采用H-ZK3玻璃材料(n＝1.59，Vd＝61.25)；所述第一双胶合透镜14的正透镜采用H-ZK3材料(n＝1.59，Vd＝61.25)，所述第一双胶合透镜14的负透镜采用ZF6玻璃材料(n＝1.75，Vd＝27.55)；所述第二双胶合透镜15的负透镜采用ZF6材料(n＝1.75，Vd＝27.55)，第二双胶合透镜15的正透镜采用H-K3玻璃材料(n＝1.50，Vd＝64.78)。

本实施例还提供了一种荧光收集系统，包括上述的荧光收集镜头，还包括激光光源、流动池21、多路分叉光纤束31以及分光模块，如图2所示，所述激光光源(图上未示意出，可参照常规设置位置及结构)、流动池21、荧光收集镜头、多路分叉光纤束31以及分光模块(图上未示意出)均沿光轴方向依次同轴布置，所述多路分叉光纤束31邻近所述荧光收集镜头10的一侧面为像面。流动池21包括流动池前表面211以及流动室后表面212。

其中，具体的，图3中的流动室中心检测区域也即荧光收集镜头10的物面201所在区域，该区域内激光光源发射的聚焦激光光束沿着样本流方向自下而上等间隔设置，依次是波长320nm、355nm、405nm、488nm、561nm、638nm、808nm，间隔为80μm。

进一步的，荧光收集镜头设计7个相对应的Y向视场，如图4示意，以中心视场坐标(0,0)，其它六个视场坐标依次是(0,-0.24)，(0,-0.16)，(0,-0.08)，(0,0.08)，(0,0.16)，(0,0.24)，其中坐标值单位mm。由此荧光收集镜头10的视场范围为0.48mm。

当样本流通过流动室检测区，激光束照射检测区，产生荧光。荧光被荧光收集镜头10有效收集，出射光聚焦于光纤接头310端面(光纤接头310端面也即像面)，被多路分叉光纤束31接收，并引导到分光模块进一步分光，拆解成细分的荧光通道；

进一步，所述多路分叉光纤束31包括光纤接头310和多路光纤，多路光纤的一端均与光纤接头310连接，所述光纤接头310邻近所述荧光收集镜头10的一侧面为像面301，所述像面301与所述荧光收集镜头10的光出射面间隔布置。

优选地，多路光纤包括七路光纤，七路光纤依次沿竖直方向自上而下等间距排列，并分别对应接收激光波长808nm、638nm、561nm、488nm、405nm、355nm、320nm所激发产生的荧光。多路光纤分别采用芯径200～400μm的多模光纤，多路光纤中相邻两路光纤的设置间隔为0.8～1.2mm。七路光纤分别为沿着竖直方向自下而上等间距排列第一光纤311、第二光纤312、第三光纤313、第四光纤314、第五光纤315、第六光纤316和第七光纤317，共7路光纤，光纤接头端面A-A(即像面301)如图5所示，分别对应着接收激光波长808nm、638nm、561nm、488nm、405nm、355nm、320nm所激发产生的荧光。光纤和流动池21两处对应激光波长倒置，是因为荧光收集镜头10成倒立像原因。

本实施例的一个可选方案为，光纤优选芯径200～400μm的多模光纤；光纤设置间隔为0.8～1.2mm；

详细的荧光收集镜头10实施例应用在流式细胞仪上包含的透镜的参数如下表1中设置：

本实施例中，流动池21靠近荧光收集镜头10一侧的玻璃壁厚是1.5mm；物面201位于流动池21中心样本流上，像面301位于光纤接头310的端面；

本实施例中，所述的物面201位于流动池21中心样本流上，像面301位于光纤接头310端面；

进一步，所述第二双胶合透镜的光出射面与所述多路分叉光纤的像面(也即光纤接头310)之间的间距为75mm。

本实施例中，流动池前表面211和平凸透镜11的第一平凸透镜表面111之间使用了光学凝胶作为介质填充。这样做的目的是：镜头的NA要达到1.3，而空气中NA设计值只能接近1(而达不到1)，典型的设计是借鉴显微镜高倍物镜，采用浸液(通常是油浸)方式提高NA。光线穿过流动池石英玻璃玻璃(折射率为1.46)进入空气时会折射，向外偏离，因此进入物镜的光量减少。如果在镜头和流动室之间填充折射率大于1的介质，光线可以最大限度减小偏离量而较多地进入镜头。本实施例中光学凝胶层的厚度是0.0125mm，由于稀薄或者流动性好的介质，难维持状态(这也是显微镜浸油不能使用的一个原因)。因此本实施例中较优地选择使用美国Cargille品牌牌号为0608的光学凝胶，其具以下特征：耐候性能良好，光学性能优异，折射率接近石英，n(589.3nm)25℃＝1.457(即25℃条件下对应589.3nm波长的折射率是1.457)。

本发明实施例通过各镜片的组合及优化，达到了以下效果：

1、实现了较大的数值孔径。本实施例可以收集半角度78.5°不能大于90°的范围内的荧光散射光。由于流式细胞仪荧光产生的环境是在液体环境中(一般的所述的液体主要成分是水，折射率n＝1.333)，根据数值孔径的计算公式(1)，计算得出本实施例中的数值孔径为1.3；

NA＝n×sinθ......................(1)

其中，NA表示数值孔径，n代表折射率，θ代表收集角度(半角)。

2、不小于360μm物方视场范围要求：本实施例中设置七个视场，视场间隔80μm，因此视场范围为480μm，可以有效同时接收7只激光器所产生荧光；

3、大于10×(成正立像时)或者小于-10×(成倒像时)横向放大率的要求。图6为图2实施例的弥散光斑标准点列图(可通过ZEMAX软件直接导出)，共有七个视场。图中可见：物面高度0.08mm对应像面弥散光斑高度为-0.852，物面高度-0.08mm对应像面弥散光斑中心高度为-0.852；物面高度-0.16mm对应像面弥散光斑中心高度为1.71mm，物面高度0.16mm对应像面弥散光斑中心高度为-1.71mm；物面高度-0.24mm对应像面弥散光斑中心高度为2.569mm，物面高度0.24mm对应像面弥散光斑中心高度为-2.569mm。根据横向放大率公式(2)，计算得出本实施例中的横向放大率为-10.7～-10.6×：

其中，表示β表示横向放大率，又叫垂轴放大率。y′表示像高，y表示像高。β小于0，对应表示成倒像。

4、500～800nm光谱范围的色差矫正要求：见图4标准点列图(可通过ZEMAX软件直接导出)所示，对五个设定波长(0.488nm、0.530nm、0.585nm.0.67nm、0.780nm)，七个设定视场(0，0)，(0，-0.08)，(0，-0.16)，(0，-0.24)，(0，0.08)，(0，0.16)，(0，0.24)，其中坐标值单位mm，所得的RMS半径均不大于50μm，GEO半径不大于80μm。

5、像方数值孔径匹配光纤数值孔径的要求：本实施例镜头像方数值孔径为0.094(小于0.12)，可以匹配市面上常规光纤，如数值孔径0.12、0.22、0.37，纤芯直径200、400um的等几个常规参数组合选型。这样极大的拓展了荧光收集镜头的适用性。

本发明的镜头针对性的使用在流式细胞仪上，可以有效接收7只激光器所产生荧光。当然，对于少于7只激光器的流式细胞仪来讲，本镜头可以兼容使用，同时，对其它大数值孔径的应用领域也可能适用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“共轴”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种荧光收集系统，其特征在于，包括荧光收集镜头、激光光源、流动池、多路分叉光纤束以及分光模块，所述激光光源、流动池、荧光收集镜头、多路分叉光纤束以及分光模块均沿光轴方向依次同轴布置，所述多路分叉光纤束邻近所述荧光收集镜头的一侧面为像面；

所述荧光收集镜头由共轴且依次间隔布置的平凸透镜、弯月透镜、双凸透镜、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜组成，所述平凸透镜一侧的平面为光入射表面，所述弯月透镜一侧的凹面为光入射面，所述双凸透镜中曲率半径大的表面为光入射面，所述第一双胶合透镜的正透镜的外表面为光入射面，所述第一双胶合透镜的负透镜的外表面为光出射面，所述第二双胶合透镜的负透镜的外表面为光入射面，所述第二双胶合透镜的正透镜的外表面为光出射面；

所述多路分叉光纤束包括光纤接头和多路光纤，多路光纤的一端均与光纤接头连接，所述光纤接头邻近所述荧光收集镜头的一侧面为像面，所述像面与所述荧光收集镜头的光出射面间隔布置；

流动池前表面和平凸透镜的第一平凸透镜表面之间使用了光学凝胶作为介质填充；

所述平凸透镜采用H-K3玻璃材料，所述弯月透镜采用ZF6玻璃材料，所述双凸透镜采用H-ZK3玻璃材料；所述第一双胶合透镜的正透镜采用H-ZK3材料，所述第一双胶合透镜的负透镜采用ZF6玻璃材料；所述第二双胶合透镜的负透镜采用ZF6材料，第二双胶合透镜的正透镜采用H-K3玻璃材料；

所述平凸透镜、弯月透镜、双凸透镜的光焦度为正，第一个双胶合透镜的正透镜的光焦度为正，第一个双胶合透镜的负透镜的光焦度为负，第二个双胶合透镜的负透镜的光焦度为负，第二个双胶合透镜的正透镜的光焦度为正。

2.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，所述平凸透镜另一侧的凸面为球面或非球面；所述弯月透镜一侧的凸面以及另一侧的凹面分别为球面或非球面；所述双凸透镜两侧的凸面分别为球面或非球面；所述第一双胶合透镜和第二双胶合透镜均采用低色散的正透镜和高色散的负透镜胶合在一起，所述低色散的正透镜和高色散的负透镜的胶合面曲率相同。

3.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，多路光纤依次沿竖直方向自上而下等间距排列。

4.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，多路光纤包括七路光纤，七路光纤依次沿竖直方向自上而下等间距排列，并分别对应接收激光波长808nm、638nm、561nm、488nm、405nm、355nm、320nm所激发产生的荧光。

5.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，多路光纤分别采用芯径200～400μm的多模光纤，多路光纤中相邻两路光纤的设置间隔为0.8～1.2mm。

6.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，所述流动池靠近荧光收集镜头的一侧玻璃壁厚为1.5mm。

7.根据权利要求1所述一种荧光收集系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜的光出射面与所述多路分叉光纤的像面之间的间距为75mm。

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