CN211086818U - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种光学系统，包括：用于发出具有单一波长的光束的光源；光学主轴线；用于对光束进行整形的光学整形元件，光学整形元件布置成面向光源；以及光学准直元件，光学准直元件布置在光源与光学整形元件之间，其中，光学准直元件构造成能提供无色散的准直光束，准直光束沿光学主轴线向光学整形元件照射。借助该光学系统，可以提高光学器件的可重复使用性，并且使得光源与光学系统的相对位置更加灵活，从而使得整个系统更加紧凑。

Description

光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于具有单一波长光束的光源的光学系统，该光学系统对来自该光源的光束进行准直和整形。

背景技术

自七十年代以来，流式细胞技术是逐步发展成集计算机技术、激光技术、流体力学、细胞化学、细胞免疫学于一体的技术，该技术具有分析和筛选细胞的功能。流式细胞技术是一种在功能水平上对单细胞或颗粒进行定量分析和筛选的检测手段。

目前，已知基于流式细胞技术开发出的各种流式细胞仪可用于鉴别各种类型的细胞及生物学流体。现有的流式细胞仪具有光学上透明的流通池，该流通池包含细胞样品入口，鞘液入口，以及细胞可以通过的(例如，管状)通道，即流道。在该流道中，细胞样品由同心包围该细胞样品的鞘液集中到流道的中心流动。光束聚焦在该流道的中心，在细胞通过该光束照射区域时，光子依赖于细胞大小、形状、折射率而发生不同角度的光散射。细胞上不同的官能团被标记上不同的荧光标记物，不同的荧光标记物在激光辐射下产生不同波长的荧光，进而可以根据荧光的波长和强度可以判断通过激光束的细胞的种类。对于每个细胞，除了散射光之外，还可以用多个光检测器根据不同波长检测荧光，由此可以多方面地分析细胞。

高分辨、高灵敏和高通量的流式细胞仪对其光学系统的光束强度以及光强的空间分布形状提出了更高的要求。为了改变(来自光源的)光束的光束性质，通常，在光学系统中设置有用于对光束进行整形以提供理想的光强分布的光学整形元件以及用于将光束会聚到指定区域(并且聚焦成指定直径的光斑大小)的光学聚焦元件。

在光学系统中，通常将物体的实际成像与其理想成像之间的差别称为像差。进一步说，作为这种像差中的一种，色差是指由于透射材料的透射率随波长的变化而变化所造成的一种像差，本质是由于光在折射过程中产生色散造成的。换言之，由于复合光中所包含的单色光波长不同，光束发生色散现象的程度也不同。

为了消除由于光学聚焦元件(聚焦透镜)造成的负色差，通常需要在光学聚焦元件之前设置有用于抵消这种负色差的光学元件，尤其是光学准直元件。为了提供正色差，光学准直元件一般也需要采用透镜，以向复合光束提供正色差。当(1/f1V1)+(1/f2V2)＝0时，可以使得即便在复合光的情况下也没有色差，其中f1/f2为透镜的焦距，而V1/V2为透镜所用材料的分散率。当f1和f2为异号时，该等式才可成立。

然而，存在色差的光学器件的可重复使用性显著降低，并且可能会对光束的光强分布均匀性造成一定影响。因而，在光学领域中，尤其是在用于流式细胞仪的光学系统中，始终需要一种能提高可重复使用性，并且提供比已知的光学器件组合更好灵活性的方案。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统，包括：用于发出具有单一波长的光束的光源；光学主轴线；用于对光束进行整形的光学整形元件，光学整形元件布置成面向光源(即，沿光束传播方向位于光源之后)；以及光学准直元件，光学准直元件布置在光源与光学整形元件之间，其中，光学准直元件构造成能提供无色散的准直光束，准直光束沿光学主轴线向光学整形元件照射。

借助该光学系统，由于使用了无色差的准直光学元件(例如离轴抛物面镜)，在更换不同波长的光束时，对应的光学准直元件却不再需要更换，从而提高了该光学准直元件的重复使用性。

在优选的实施例中，光学准直元件包括反射镜。由于反射镜仅发生反射，因而不会使经准直的光束产生任何色散，从而以较低成本和简单的结构来实现对光束的准直。

有利地，反射镜设计成单个抛物面反射镜。该抛物面镜可以是或者可以不是偏离光学主轴线的。抛物面镜的制造成本低且结构简单，可以提供离轴光束准直而在较大波长偏移(大于100nm)的情况下不会产生焦点偏移。

或者，反射镜也可以设计成球面镜或非球面镜。

此外，光学准直元件也可以设计成由不同类型的多个反射镜构成的反射镜组，可以实现在光学系统中光学准直元件的灵活的布置形式从而使得光学准直元件在光学系统中可以定向成使来自光源的光束以0度到180度之间(含0度和180度)的任意角度的反射角反射到光学整形元件上。由于使用了无色差的准直光学元件(例如，离轴抛物面镜组)，入射光和出射光的夹角可以为180度，从而光源可以和光学准直元件(例如，光学镜片组)并行或以其它合适方式进行摆放，因而，整个系统的长度变缩小了。

优选的是，准直光束借助光学整形元件能被整形为：准直光束在垂直于光学主轴线的第一轴线上的光强为平顶分布，从而提供对流式细胞仪中的细胞在流道横截面上的均匀照射。光强的均匀分布可以允许细胞在流道中流动时偏离流道中轴或偏离光束主轴时并不会造成信号减弱。

此外，光学系统还可以包括沿光学主轴线的方向布置在光学整形元件之后的光学聚焦元件，以将经过光学整形元件整形的光束会聚至指定区域，比如流通池的流道中心。由此，可以使得经整形的尺寸仍较大的光束聚焦到期望的较小区域(例如，光束主轴指定位置的横截面积在0.1毫米×0.01毫米的量级)上，提高激光束在流道内单位体积的光强度，从而进一步细胞检测灵敏度。

有利地，光学准直元件、光学整形元件和光学聚焦元件能以相对于彼此为固定的间距集成在一起。这种模块化的构造可便于组装，易于制造，降低成本。

更优选的是，准直光束借助光学整形元件能被整形为：准直光束在垂直于光学主轴线的第一轴线上的光强为平顶分布，且光学准直元件定向成使抛物面反射镜的对称面平行于或者包含第一轴线。由此，可以避免输出光束的不对称能量分布对光束在所述第一轴线上平顶分布的光强均匀性产生影响。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本实用新型的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出根据本实用新型的光学系统的第一实施例的原理图，其中，该光学系统包括提供无色散的准直光束的光学准直元件；

图2示意性地示出根据本实用新型的光学系统的第二实施例的原理图，其中，该光学系统包括设计成抛物面镜的光学准直元件，且反射角度约为90度；

图3示意性地示出根据本实用新型的光学系统的第三实施例的原理图，其中，该光学系统包括设计成三个反射镜的光学准直元件，且反射角度约为180度；以及

图4示意性地示出根据本实用新型的光学系统的第三实施例的原理图，其中，该光学系统包括设计成抛物面镜的光学准直元件，且反射角度约为45度。

应注意参考的附图并非都按比例绘制，而是可扩大来说明本实用新型的各方面，且在这方面，附图不应被解释为限制性的。

附图标记列表：

1 光源；

2 光学准直元件；

3 光学整形元件；

4 光学聚焦元件；

5 成像平面；

100 光学系统。

具体实施方式

在本实用新型中，光学系统可以用于流式细胞仪，但也可以用于生物领域的其它细胞学或非细胞学的应用中，甚至还可以用于包括空气颗粒物检测、液体中颗粒物检测、激光加工(微加工)、数字全息术、夜视和远距离物体的测距在内的诸多其它应用。

此外，本实用新型语境下的术语“光学系统”可以包含与光源和/或被测对象相对应的部分，也可以根据实际使用场合而将光源和/或被测对象的至少一部分排除在外。

根据本实用新型的光学系统100包括各种用于改变(来自光源的)光束的光束性质的光学器件，例如但不限于用于对光束进行整形、对光束进行聚焦等作用的光学器件。

根据本实用新型的光学系统100所针对的是包含单一波长的光束的光源。例如，具有高亮度、单色性、相干性等显著特点的激光光源就是一种合适的选择。

在由光源发出的光束仅包括单一波长的情况下，根据本实用新型的光学系统100无须在光学聚焦元件与光源之间提供用于补偿负色差的光学透镜。因此，光学系统100可以在用于对光束进行整形的光学整形元件3之前提供无色散的准直光束，该经准直的光束可以沿光学整形元件3的光学主轴线向光学整形元件照射、主要是以平行光束的形式射向光学整形元件。

可以理解到，用于提供无色散的准直光束的光学准直元件2可以包括实现该功能的任何光学器件，但通常不应包括产生色散的正、负透镜。经准直的光束的直径可扩大，但也可以不扩大。例如，光学准直元件可以被设计为适于小于180度的发散角，并且对于带宽大于100nm的宽波长不具有色差(即焦点偏移)。

由于由光源发出的光束仅包括单一波长，无论沿光学主轴线方向位于光学整形元件3之后的任何光学器件、尤其是光学聚焦元件如何设置，最终所得的成像是不会具有色散/色差的。在此情况下，由于采用了用于提供无色散的准直光束的光学准直元件，可以首先使得光学系统100内的光学器件的可重复使用度显著提高。

在优选的实施例中，光学准直元件包括反射镜。例如，光学准直元件可以包括单个反射镜或者由多个反射镜构成的反射镜组。尤其是，光学准直元件可以包括由不同类型的多个反射镜构成的反射镜组。可以理解到，反射镜与透镜不同(即，不发生折射，而仅发生反射)，因而不会使经准直的光束产生任何色散。

在特别优选的实施例中，可以将前述反射镜设计成单个抛物面反射镜。例如，该抛物面反射镜可以提供离轴光束准直，而在而在较大波长偏移(大于100nm)的情况下不会产生焦点偏移。

或者，反射镜也可以设计成球面镜、非球面镜、自由形式镜或不同类型镜的组合。由此，可以提供离轴光束准直而不会在宽波长范围内发生任何焦点偏移的反射镜组。

在本实用新型中，反射镜的表面可通过以下函数描述：

其中，x+bz+c＝0，δ(x)是用于准直调节到光学整形元件的校正函数。当δ(x)＝0时，该反射镜为抛物面镜，其焦点位于

处，且抛物线的准线

除了如上所设的光学准直元件之外，在优选的实施例中，准直光束借助光学整形元件3能被整形为：准直光束在垂直于前述光学主轴线的第一轴线上的光强为平顶分布。

在一个实例中，光学整形元件3可以设计为适合光束直径和波长带宽小于20nm的光束。还例如，光学整形元件可以设计成衍射光学元件、透镜阵列、鲍威尔透镜、圆柱透镜对或自由曲面透镜，它们通常需要良好准直的光束。

在本实用新型中，术语“平顶分布”的含义是指光强分布的平顶区域的强度相对极差(即、该区域的光强最大值与光强最小值之间的差值占该区域的平均光强的百分比)小于约10％，同时平顶区域的光强和相对于在轴线上的光束总光强的占比大于约30％。

在该优选的实施例中，更有利的是，当光学准直元件2构造成抛物面镜或者其它具有对称轴线的反射镜时，光学准直元件2定向成使抛物面反射镜或其它反射镜的对称面平行于或者包含该第一轴线。

可以理解到，如果将第一轴线(即、最终所得光束的平顶能量分布所在轴线)设置为该反射镜输出光束的能量分布对称的轴，则可以避免输出光束的不对称能量分布对光束在所述第一轴线上平顶分布的光强均匀性产生影响。

此外，光学系统100还包括布置成面向光学整形元件3(即，沿光束传播方向位于光学整形元件3之后)的光学聚焦元件4，以将经过光学整形元件3整形的光束会聚至指定区域。例如，光学聚焦元件4能在一定距离处(即，指定区域处)将经整形的光束聚焦成微米级的光斑大小。

光学聚焦元件4可以在彼此垂直的两根轴线(这两根轴线同时也垂直于光学主轴线)上的放大倍率是相同或者不同的。光学聚焦元件例如可以是双透镜(凹凸透镜组)、非球面透镜或透镜组等。

在特别有利的实施例中，光学准直元件2、光学整形元件3和光学聚焦元件4以相对于彼此为固定的间距集成在一起(即、以固定的距离组装在一起)。在集成的光学装置中，入射光束可以通过光学准直元件进入，并从聚焦光学系统100的后表面射出集成的光学装置。

下面参照附图1-4来对本实用新型的光学系统100的各光学器件作进一步示例性阐释。

图1示出根据本实用新型的光学系统100的第一实施例的原理图，其中，该光学系统100包括提供单一波长光束的光源1、提供无色散的准直光束的光学准直元件2、用于对光束进行整形的光学整形元件3和将光束会聚到指定区域5的光学聚焦元件4。

在图2中所示的另一个实施例中，光学准直元件2可以实施成单个抛物面镜。借助该抛物面镜，来自光源1的光束被反射了大约90度，并且以平行于光学主轴线的方向射向光学整形元件3。同时，该光束经由该光学准直元件而准直并且扩大所需的光束大小。在此实施例中，光学整形元件3设计为衍射光学元件，而光学聚焦元件4设计为双透镜组合，其将光束会聚到成像平面5上。

在图3中所示的又一实施例中，光学准直元件2可以实施成由三个(离轴)反射镜3构成的反射镜组。借助该反射镜组，来自光源的光束被反射了大约180度，并且以平行于光学主轴线的方向射向(位于其之后的)光学整形元件3。同时，该光束经由该光学准直元件而准直并且扩大所需的光束大小。在此实施例中，光学整形元件3设计为圆柱透镜，而光学聚焦元件4设计为非球面镜，其将光束会聚到成像平面5上。

在图4中所示的再一实施例中，光学准直元件2可以设计成一个偏轴的抛物面镜3。借助该抛物面镜，来自光源的光束被反射了大约45度，并且以平行于光学主轴线的方向射向(位于其之后的)光学整形元件3。同时，该光束经由该光学准直元件而准直并且扩大所需的光束大小。在此实施例中，光学整形元件3设计为可以将光束整形为平顶光强分布的衍射光学元件，而光学聚焦元件4设计为双透镜(凹凸透镜)，其将光束会聚到成像平面5上。

可以理解到，尽管在上述几个实施例中列举了一些反射角度，但光学准直元件在光学系统100中定向成使来自光源的光束以0度到180度(例如，30度、60度等)的反射角反射到(位于其之后的)光学整形元件上。

尽管在各附图中参照了用于流式细胞仪的光学系统的实例来描述了本实用新型的各种实施例，但应当理解到，本实用新型的范围内的实施例可应用至具有相似结构和/或功能的其它应用场合上，例如用于其它生物学、化学、物理等研究的光学系统。

前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。

对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。

Claims (10)

1.一种光学系统，包括：

用于发出具有单一波长的光束的光源；

光学主轴线；

用于对所述光束进行整形的光学整形元件，所述光学整形元件布置成面向所述光源；

其特征在于，所述光学系统还包括：

光学准直元件，所述光学准直元件布置在所述光源与所述光学整形元件之间，其中，所述光学准直元件构造成能提供无色散的准直光束，所述准直光束沿所述光学主轴线向所述光学整形元件照射。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直元件包括反射镜。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜设计成单个抛物面反射镜。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜设计成球面镜或非球面镜。

5.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直元件设计成由不同类型的多个反射镜构成的反射镜组。

6.如权利要求2-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直元件在所述光学系统中定向成使来自所述光源的所述光束以0度到180度的反射角反射到所述光学整形元件上。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述准直光束借助所述光学整形元件能被整形为：所述准直光束在垂直于所述光学主轴线的第一轴线上的光强为平顶分布。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括沿光学主轴线的方向布置在所述光学整形元件之后的光学聚焦元件，以将经过所述光学整形元件整形的光束会聚至指定区域。

9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直元件、所述光学整形元件和所述光学聚焦元件以相对于彼此为固定的间距集成在一起。

10.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述准直光束借助所述光学整形元件能被整形为：所述准直光束在垂直于所述光学主轴线的第一轴线上的光强为平顶分布，且所述光学准直元件定向成使所述抛物面反射镜的对称面平行于或者包含所述第一轴线。

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