CN1296176A

CN1296176A - 长景深共聚焦荧光探测光学系统

Info

Publication number: CN1296176A
Application number: CN 00127926
Authority: CN
Inventors: 邵晖; 陈大庞; 冯哲民
Original assignee: SHANGHAI AIPUTE INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI AIPUTE INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2001-05-23

Abstract

本发明提供一种长景深共聚焦荧光探测光学系统,由物镜、反射镜或分色片、会聚镜、针孔所构成,其最佳实施例的光学参数是:激光束直径1毫米,发散角1毫弧度,物镜焦距8毫米,会聚镜焦距40毫米,针孔直径100微米,其景深长约50～60微米,比共聚焦系统的景深扩展了十倍,而仍然保持了共聚焦光学系统抗杂散光的优点,不仅适合于生物芯片扫描荧光探测,而且对具有主动光源照射的共聚焦光学系统都适用。

Description

长景深共聚焦荧光探测光学系统

本发明涉及微弱光讯号探测光学系统，特别是指一种长景深共聚焦荧光探测光学系统。

现有的共聚焦光学系统，如图1所示，激光束5经扩束准直成为平行光，经反射镜或分色片2反射，通过物镜1聚焦在样品表面6，样片表面6荧光染料受激发射，部分发射的荧光向上经物镜1准直成平行光，经会聚镜3聚焦，在会聚镜3的焦面上设置针孔4，使得只有样品表面6被照亮部分的荧光可以通过，然后被针孔4后的光电传感器(图中未画)接受，由于光路在物方和像方有两个焦点，故乘共聚焦，这种光学体统称为共聚焦光学系统。这种原理的光路能接受到激发的荧光，同时对不在样片表面6以及不在探测成像区域内的杂散光有很好的屏蔽作用。然而这种设计的缺点是在通常情况下视场景深浅，只要样品面稍稍偏离物镜焦面，如，通常基因芯片基片本身的不平整，机械运动时的微小震动，或基因样点厚度超过景深，共聚焦探测的效果就显著下降，影响荧光探测准确性。

按照传统设计，共聚焦光学系统要求：1．激光以平行光入射；2．物镜数值孔径越大越好，以有利于接受更多荧光；3．针孔与空间分辨率完全匹配。以激光荧光扫描仪为例，选择数值孔径为0.65(放大倍率40x焦距约4mm)的显微镜头。而针孔直径d与空间分辨率D、物镜焦距f1和会聚镜焦距f2有关。

d=D^*f₂/f₁

如空间分辨率D=10μm，会聚镜焦距f₂=40mm，则d=100μm。经计算，这样的设计景深只有5～6μm。

本发明的目的在于对现有共焦距光学系统进行改进，提供一种长景深共聚焦荧光探测光学系统。

本发明的长景深共聚焦荧光探测光学系统是在共聚焦光学系统的改进而实现的。

本发明的目的的实现经分析可有如下途径：

1．激光不一定需要平行入射，相反，一定扩散的激光束可以加大景深；

2．激光束越细景深越大；

3．物镜焦距越大，景深越大；

4．针孔的直径越小，景深越大。

但是物镜焦距加长使得数值孔径减小，会降低总体通光效率，同时过度扩大针孔，会降低系统抗杂散光的能力，需要根据情况进行优化。

本发明一种长景深共聚焦荧光探测光学系统，由物镜、反射镜或分色片、会聚镜、针孔构成，当一束激光入射经反射，通过物镜聚焦在样品表面，样品表面荧光染料受激发，部分发射的荧光向上经物镜准直成平行光，经会聚镜聚焦在会聚镜焦平面上的针孔，被位于该针孔的光电传感器探测，其特征在于所说物镜的焦距f₁的取值范围为4～16毫米。

所说的激光束的直径取值范围为0.5～10毫米，其光束发散角的取值范围为0～2毫弧度。

所说的针孔应处在会聚镜的焦平面上，并满足关系式：

d > D \frac{f_{2}}{f_{1}} - - - - - - (1)

式中：d-针孔的直径，f₁-物镜的焦距，f₂-会聚镜的焦距，

D-空间分辨率，在基因芯片扫描仪的情况下，D的取值可为1～50μm，当D=10μm，

则式(1)可改写为

d > 10 μm \frac{f_{2}}{f_{1}} - - - - (2)

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是现有的共聚焦光学系统图，也是本发明的光学系统图。

图中：

1-物镜 2-反射镜或分色片

3-会聚镜 4-针孔

5-激光束 6-样品表面

本发明的长景深共聚焦荧光探测光学系统的基本结构，看起来与共聚焦光学系统相似，由即物镜1、反射镜或分色片2、会聚镜3、针孔4构成，当一束激光5入射经反射镜或分色分色片2的反射，通过物镜1聚焦在样品表面6，样品表面6的荧光染料受激光激发，产生荧光，部分发射的荧光向上经物镜1准直成平行光，经会聚镜3聚焦在会聚镜3的焦平面上的针孔4，被位于该针孔4的光电传感器探测，本发明的特点在于：

所说激光束5的发散角的取值范围为1～2毫弧度。

所说激光束5的直径的取值范围为0.5～10毫米；

所说的物镜焦距f1的取值范围为4～16毫米；

所说的针孔4应处于会聚镜3的焦平面上，并满足关系式：

d > D \frac{f_{2}}{f_{1}}

式中：f₂是会聚镜3的焦距，D是空间分辨率，在基因芯片扫描仪的情况下，如果D～10μm，则

d = 10 μm \frac{f_{2}}{f_{1}}

。

本发明的最佳取值参数如下：

激光束5直径为1毫米，发散角为1毫弧度，物镜焦距f₁=8毫米，会聚镜焦距f₂=40毫米，针孔4的直径为100微米，其景深达到了50～60微米，且仍然保持了共聚焦光学系统抗杂散光的优点，大大提高了对芯片的适应性。

本发明的光学系不仅适合于生物芯片扫描装置使用，对具有主动光源照明的共聚焦光学系统都适用。

Claims

1．一种长景深共聚焦荧光探测光学系统，由物镜(1)、反射镜或分色片(2)、会聚镜(3)、针孔(4)构成，当一束激光(5)入射经反射镜或分色片(2)反射，通过物镜(1)聚焦在样品表面(6)，样品表面(6)荧光染料受激发，部分发射的荧光向上经物镜(1)准直成平行光，经会聚镜(3)聚焦在会聚镜(3)焦平面上的针孔(4)，被位于该针孔(4)的光电传感器探测，其特征在于所说物镜(1)的焦距f1的取值范围为4～16毫米。

2．根据权利要求1所述的长景深共聚焦荧光探测光学系统，其特征在于所说的激光束(5)的直径取值范围为0.5～10毫米，其光束发散角的取值范围为0～2毫弧度。

3．根据权利要求2所述的长景深共聚焦荧光探测光学系统，其特征在于所说的针孔(4)应处在会聚镜(3)的焦平面上，并满足关系式：

d > D \frac{f_{2}}{f_{1}} - - - - - (1)

式中：d-针孔的直径，f₁-物镜(1)的焦距，f₂-会聚镜(3)焦距，

D-空间分辨率，在基因芯片扫描仪的情况下，D的取值为1～50μm，当D～10μm时，则

d > 10 μm \frac{f_{2}}{f_{1}} - - - - - (2)

4．根据权利要求1或2或3所述的长景深共聚焦荧光探测光学系统，其特征在于所说的激光束(5)直径为1毫米，发散角为1毫弧度，物镜(1)的焦距为8毫米，会聚镜(3)的焦距为40毫米，针孔(4)的直径为100微米。