CN206348269U - 一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，包括椭球面反射镜、毛细管，以及荧光输出光纤，所述毛细管安装在椭球面反射镜的近焦点，该毛细管内装有被试剂标定的待检测生物样本，所述荧光输出光纤的端部位于椭球面反射镜的远焦点。使用时，光束聚焦于毛细管中心，毛细管内的标的物受激发光，产生荧光，该荧光的光源向全向空间辐射荧光光子，此时，辐射的光子被反射，将所有由近焦点发出的光线汇聚于远焦点，在椭球面反射镜的远焦点，设置有荧光输出光纤，将荧光导入光纤向后传输。本实用新型结构紧凑，设计巧妙合理，最大限度的提高了荧光收集效率并降低了光学系统误差。

Description

一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构

【技术领域】

本实用新型属于光电技术领域，尤其是涉及激光生物检测领域。

【背景技术】

光化学生物检测是近年来高速发展的行业，光致发光因为其易用性，耗材少，检测速度高，易扩展等特点，在基因检测排序、病原体识别，新生儿筛查等领域，有非常广阔的前景，国外大型医疗设备制造商基本已垄断上述设备的生产和授权使用环节。

国内生物医疗器械工艺近年也开始涉足该领域，但在设备规模，可靠性、使用寿命等环节还有较大的差异，在模仿进口设备的基础上，工程技术人员发现，很多设备因为定型早，当时的技术水平或工艺限制，几乎都有优化和提升的空间，这也为国内生产企业提供了后发技术优势，针对这一市场需求，在激光生物检测领域，开创性的使用非球面反射镜进行背向荧光采集。

传统的荧光采集光学系统，使用平面、球面、抛物面反射镜，或者直接使用球面透镜系统作为光学整形器件，其优势在于上述器件在工艺上容易实现，因为传统光学冷加工，平面、球面、抛物面反射镜以及球透镜加工工艺都是经过长期的工艺总结出来的，这些光学元件在加工成调试工艺上都比较成熟。

【实用新型内容】

本实用新型提供了一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，结构紧凑，设计巧妙合理，最大限度的提高了荧光收集效率并降低了光学系统误差。

本实用新型采用以下技术方案：

一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，包括椭球面反射镜、毛细管，以及荧光输出光纤，所述毛细管安装在椭球面反射镜的近焦点，该毛细管内装有待检测的生物荧光，所述荧光输出光纤的端部位于椭球面反射镜的远焦点。

所述的椭球面反射镜是一种通过光学冷加工并在内椭球面抛光镀银的非球面反射镜。

所述椭球面反射镜的底部开设有斜孔，该斜孔的中心线通过椭球面近焦点，并与椭球面长轴呈一定夹角。

所述椭球面反射镜的底部开设有用于引入毛细管的第一引入孔和引出毛细管的第一引出孔，所述第一引入孔和第一引出孔过椭球面的近焦点并垂直于椭球面的长轴方向。

所述毛细管与椭球面反射镜的中心切面垂直设置。

在所述荧光输出光纤的端面前进一步置入一块只能透过荧光波段的窄带滤光片，以减小激发光的干扰。

所述的窄带滤光片是一种通过多层镀膜的石英薄片，透过波长以荧光波长为中心优化，安装在椭球面长轴上，安装面与椭球面长轴垂直。

所述的荧光输出光纤端面与椭球面反射镜长轴垂直，且镀荧光波长增透膜。

所述椭球面反射镜安装在反射镜安装座内，所述反射镜安装座通过设备安装位置的顶丝顶杆和弹簧部件调整椭球面反射镜的安装角度和位置。

所述反射镜安装座为金属结构，由黄铜或者不锈钢制成，表面发黑。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：包括椭球面反射镜、毛细管，以及荧光输出光纤，所述毛细管安装在椭球面反射镜的近焦点，该毛细管内装有被试剂标定的待检测生物样本，所述荧光输出光纤的端部位于椭球面反射镜的远焦点。使用时，光束聚焦于毛细管中心，毛细管内的标的物受激发光，产生荧光，该荧光的光源向全向空间辐射荧光光子，此时，辐射的光子被反射，将所有由近焦点发出的光线汇聚于远焦点，在椭球面反射镜的远焦点，设置有荧光输出光纤，将荧光导入光纤向后传输。本实用新型结构紧凑，设计巧妙合理，最大限度的提高了荧光收集效率并降低了光学系统误差。

【附图说明】

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型的总成结构示意图。

图2为椭球面反射镜构造示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为立体图，(c)为剖视图，(d)为另一角度的剖视图。

图3为反射镜安装座示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为立体图，(c)为剖视图，(d)为另一角度的剖视图。

图4为椭球面反射镜和安装座的组合示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为立体图，(c)为剖视图，(d)为另一角度的剖视图。

1-椭球面反射镜；2-反射镜安装座；3-毛细管；4-激光光纤准直器；5-窄带滤光片；6-荧光输出光纤。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定：

请参阅图1所示，本实用新型提供了一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，包括椭球面反射镜1，反射镜安装座2，毛细管3，激光光纤准直器4，窄带滤光片5，荧光输出光纤6。

请结合图2和图4所示，所述的椭球面反射镜1是一种通过光学冷加工并在内椭球面面抛光镀银的非球面反射镜，利用椭球面的反射特性完成散射荧光收集，该椭球面反射镜1安装在反射镜安装座2内并通过光学固定胶形成为一体。具体地说，所述椭球面反射镜2的基板材料基于光学玻璃材料，外观为带椭球面凹槽的圆柱体结构，这个椭球面凹槽基于光学冷加工或者压膜制成，内部进行光学抛光并镀银反射层；椭球面底部中心旁有第一斜孔11，该第一斜孔11的中心线通过椭球面近焦点，并与长轴呈一定夹角；过近焦点并垂直于长轴的方向上分别开设有用于毛细管的引入和引出的第一引入孔13和第一引出孔15。

所述椭球面反射镜1利用椭球面的两个焦点的特性(由一个焦点发出的光线照射到椭面上，其反射光线必定汇聚于椭球面的另一个焦点)将毛细管3的荧光检测区域作为一个光源置于椭球面反射镜的其中一个焦点，荧光输出光纤端面置于椭球面反射镜1的另外一个焦点。

请结合图3所示，所述反射镜安装座2是安装玻璃光学部件(即前述的椭球面反射镜1)的一种金属结构，由黄铜或者不锈钢制成，表面发黑，主要作用是保证玻璃光学器件的夹持的角度和位置，通过顶丝顶杆和弹簧部件可以调整光学结构的位置和角度，反射镜安装座2还有保护光学结构和光罩的作用。具体地说，所述反射镜安装座2的内槽尺寸与椭球面反射镜1的柱体尺寸外观精密配合；底部有第二斜孔21，与椭球面反射镜1底部的第一斜孔11同轴且连通；过椭球面透镜近焦点并垂直于长轴的方向上有用于毛细管3的引入和引出的第二引入孔23和第二引出孔25，所述第二引入孔23与第一引入孔13同轴并连通，所述第二引出孔25与第二引入孔15同轴并连通。

所述毛细管3用于检测生物流体，内径只有数十微米，在本实用新型中，所述毛细管3以标准器件引入，毛细管3上的荧光激发点作为本实用新型的光源。所述毛细管3安装在椭球面反射镜1的近焦点处，与椭球面反射镜1的中心切面垂直。

所述激光光纤准直器4，是一种将单模光纤输出准直的光学器件，在本实用新型中，该激光光纤准直器4以标准器件引入，主要作为激光生物检测的激发光源。所述激光光纤准直器4的输出光束聚焦点正好位于椭球面反射镜1中心切面与毛细管3的焦点，该点也是椭球面反射面近焦点，光束方向与椭球面反射镜底部的第一斜孔同轴。

所述窄带滤光片5，是一种通过多层镀膜的石英薄片，主要作用是保证荧光波长通过而滤除激发光波长。多层镀膜的石英薄片，透过波长以荧光波长为中心优化，安装在椭球面长轴上，安装面与椭球面长轴垂直，荧光输出光纤的前端。

所述荧光输出光纤6，是一种大芯径大数值孔径的石英或树脂光纤，端面处于椭球面远焦点的位置上，端面与椭球面长轴垂直，镀荧光波长增透膜，主要作用是耦合反射镜输出的荧光并传导至荧光检测器件或者其他光学整形结构。

本实用新型通过椭球面反射镜将激光激发的荧光收集至光纤中。具体地说，激发激光由半导体尾纤激光器输出，通过激光光纤准直器4将光束聚焦于毛细管3中心，激光光纤准直器4的光束束腰尺寸与毛细管3内径尺寸相近，保证均匀照射毛细管内被试剂标定的待检测生物样本，毛细管内的标的物受激发光，产生荧光，因为荧光的产生机理和特性，可以认为激光的照射点就是荧光的发光光源，此光源向全向空间辐射荧光光子，使用一块半包的椭球面反射镜将该光源包围，并将光源置于椭球面反射镜的一个焦点(近焦点)处，此时，辐射的光子会被反射，椭球面反射镜因为其几何特性，可以将所有由焦点发出的光线汇聚于另一焦点(远焦点)。此外，在椭球面反射镜上，有一个第一斜孔11，将多余透射的激发激光透射出去，防止激发光影响后级光路，在椭球面反射镜的另一个焦点(远焦点)，有一根大芯径大数值的荧光输出光纤6的端面，将荧光导入光纤向后传输，为了进一步减小激发光的干扰，在光纤端面前置入一块只能透过荧光波段的窄带滤光片5。该结构紧凑，设计巧妙合理，最大限度的提高了荧光收集效率并降低了光学系统误差。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、本实用新型的结构紧凑，设计合理，装配简单，最大限度的减小了荧光收集系统的尺寸，实现方便。

2、本实用新型是一种反射型光路采集系统，反射型光路具有非常明显的几个优点：反射式系统空间利用率比较高，便于小型化；反射式聚焦系统可以避免折射系统无法消除的色差，光路系统系统移植非常方便，不同波长的荧光完全可以做到无色差传输耦合；反射式光学系统引入的激发光干扰较弱，激发光是准直性非常好的单模光输出，可以使用透射的方式直接滤除大部分激发光源干扰。

3、本实用新型的激发光输入是单模光纤导入的单色光，相比于空间光路输入，降低了运动光路的调试难度，单模光纤光束质量好，杂散光少，有利于检测系统提高信噪比。

4、本实用新型使用光纤输出荧光，可以作为标准的检测模块，通过标准的光纤接口连接至后级光路，极大降低用户调试难度。

本实用新型椭球面反射镜在应用中除上述反射系统优点外，还有以下特别突出的特点：

1、椭球面反射镜由一个焦点发出的光线照射到椭面上，其反射光线必定汇聚于椭球面的另一个焦点，这是椭球面反射的基本物理规律，该物理规律非常适合收集极小的散射光源发出的弱光到一个焦点，提高焦点能量密度，增强信号强度，提高检测系统信噪比，相比于平面、球面、抛物面反射系统，可以直接耦合进光纤这种小孔径的光学器件，平面、球面、抛物面反射系统则需要透镜系统进行整形聚焦；

2、传统透镜系统理论收集效率只能达到50％，实际只有10％甚至更低，要达到高的收集效率只能提高透镜数值孔径，这就需要将透镜足够靠近光源以及极短的焦距，但是，靠近光源会带来装配困难，遮蔽入射光路，短焦距意味着会引入大的球差，即便克服这两个问题，收集效率仍然非常低下，而椭球面反射镜可以将荧光光源半包围甚至全包围，反射系统不会引入色差和球差。

Claims (11)

1.一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：包括椭球面反射镜(1)、毛细管(3)，以及荧光输出光纤(6)，所述毛细管(3)安装在椭球面反射镜(1)的近焦点，该毛细管(3)内装有被试剂标定的待检测生物样本，所述荧光输出光纤(6)的端部位于椭球面反射镜(1)的远焦点。

2.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述的椭球面反射镜(1)是一种通过光学冷加工并在内椭球面抛光镀银的非球面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述椭球面反射镜(1)的底部开设有斜孔(11)，该斜孔(11)的中心线通过椭球面近焦点，并与椭球面长轴呈一定夹角。

4.根据权利要求2所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述椭球面反射镜(1)的底部开设有斜孔(11)，该斜孔(11)的中心线通过椭球面近焦点，并与椭球面长轴呈一定夹角。

5.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述椭球面反射镜(1)的底部开设有用于引入毛细管的第一引入孔(13)和引出毛细管的第一引出孔(15)，所述第一引入孔(13)和第一引出孔(15)过椭球面的近焦点并垂直于椭球面的长轴方向。

6.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述毛细管(3)与椭球面反射镜(1)的中心切面垂直设置。

7.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：在所述荧光输出光纤(6)的端面前进一步置入一块只能透过荧光波段的窄带滤光片(5)，以减小激发光的干扰。

8.根据权利要求7所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述的窄带滤光片(5)是一种通过多层镀膜的石英薄片，透过波长以荧光波长为中心优化，安装在椭球面长轴上，安装面与椭球面长轴垂直。

9.根据权利要求1所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述的荧光输出光纤(6)端面与椭球面反射镜(1)长轴垂直，且镀荧光波长增透膜。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述椭球面反射镜(1)安装在反射镜安装座(2)内，所述反射镜安装座(2)通过设备安装位置的顶丝顶杆和弹簧部件调整椭球面反射镜的安装角度和位置。

11.根据权利要求10所述的一种基于椭球面反射镜的生物荧光采集结构，其特征在于：所述反射镜安装座(2)为金属结构，由黄铜或者不锈钢制成，表面发黑。