TW201940859A - 消色差散光變形物鏡 - Google Patents

Abstract

一種變形三元件物鏡將不同波長及不同直徑之多個射束投射至一工作平面中之一細長焦點。在該透鏡之一個橫方向上，該等射束按相等射束腰部寬度在該工作平面中緊緊地聚焦，從而界定該焦點之一高度。在另一橫方向上，該等不同射束逐漸聚焦超出該工作平面，使得該等射束在該工作平面中具有一共同射束寬度，藉此界定該焦點之一寬度。

Description

消色差散光變形物鏡

相關申請之交互參照

本申請主張2018年1月30日提交的美國非臨時申請第15/883,542號之優先權，該申請在此被以引用之方式全部併入。
發明領域

本發明大體係關於投影透鏡。本發明特別係關於用於將具有不同波長之兩個或更多個雷射束聚焦至一共同橢圓形焦點內之變形投影透鏡。

發明背景

流動式細胞測量術之基本原理為流體流中之粒子穿過雷射輻射之經聚焦束。可偵測、識別、計數及整理該等粒子，特定言之，生物細胞。細胞組分經以螢光標注，且接著藉由雷射輻射照射。可量測經散射及發射之輻射以判定樣本中存在的細胞之數量及類型。

可仔細地將若干偵測器置放於流體流穿過經聚焦之雷射束的點周圍。大小範圍可自0.2微米(μm)至150 μm之懸浮粒子穿過經聚焦之雷射束，且將雷射輻射散射。螢光標注之細胞組分亦由經聚焦之雷射束激發，且發射處於比雷射束之波長長的波長下之輻射(螢光)。經散射與螢光輻射之此組合由偵測器量測。接著由附接至流式細胞儀之電腦使用特殊軟體分析量測資料。每秒可量測及分析數千個粒子。

大體公認的是，當雷射束中包括更多波長之雷射輻射時，上述流動式細胞測量術過程更靈活且更準確。實務上，此係藉由組合來自沿著一共同路徑之不同雷射的組分雷射束以提供聚焦至流體流內之組合雷射束來實現。二極體雷射模組通常用於提供組分雷射束。市售二極體雷射模組可提供在範圍自近紫外線至近紅外線之基本波長下的雷射輻射。

增加數目及範圍之波長在用於將組合雷射束聚焦至流體流內的光學物鏡之設計及構造中帶來顯著問題。大體公認的是，為了在一共同位置(焦平面)聚焦兩個顯著不同波長(例如，紅及藍)，聚焦物鏡必須包括具有不同光譜色散之至少兩個光學元件。舉例而言，由具有高及低光譜色散之不同材料製成的兩個透鏡。經配置以在一共同焦平面中聚焦兩個不同波長之物鏡通常被稱作「消色差物鏡」。

若三個顯著不同波長(例如，紅、綠及藍)將聚焦於一共同位置處，則聚焦物鏡必須包括具有不同光譜色散之至少三個光學元件。經配置以在一共同焦平面中聚焦三個顯著不同波長之物鏡通常被稱作「複消色差物鏡」。

在消色差或複消色差物鏡中，不同特殊色散之個別光學元件(單一態)可能需要按由透鏡設計技術之從業者稱作「雙重態」或「三重態」之形式「膠黏」在一起。當在流式細胞儀中包括紫外線波長時，此等形式可帶來問題，因為光學元件(黏著劑)可因紫外線雷射輻射而降級。

基於習知光學設計智慧，期望將雷射束聚焦至流體流內需要之物鏡將變得更加複雜且更昂貴，因為在流式細胞儀中包括額外波長之雷射輻射。舉例而言，流式細胞儀具有四個或更多個波長。此可導致對可在流式細胞儀中使用的雷射輻射之波長之數目強加實際上限的聚焦物鏡之複雜性及成本。

存在對於能夠在一共同焦平面中聚焦四個或更多個雷射輻射波長之簡單聚焦物鏡之需求，但其中需要的不同光學材料(玻璃)之數目少於待在共同焦平面中聚焦的不同波長之數目。較佳地，聚焦物鏡不應包括任何膠黏之雙重態或三重態元件。較佳地，聚焦物鏡將在共同焦平面中創造組合雷射束，其對來自不同雷射的組分雷射束之束參數之任何波動不敏感。

發明概要

在一個態樣中，根據本發明之光學設備包含一照射源，其經佈置以傳遞多個經準直之同軸雷射束。每一雷射束具有一不同波長及一不同射束寬度。提供一變形物鏡，其具有相互正交之第一及第二橫方向。該物鏡經佈置以自該照射源接收該等雷射束，且將該等雷射束朝向處於距該物鏡一工作距離處之一工作平面投射。該物鏡經組配及佈置使得在該物鏡之該第一橫方向上，該等雷射束各聚焦至位於該工作平面周圍且具有大約相同射束腰部寬度之一射束腰部。在該物鏡之該第二橫方向上，該等雷射束聚焦至在自該工作平面移位之不同位置處的射束腰部。該等位移經選擇使得該等雷射束在該工作平面中具有大約相同射束寬度。

較佳實施例之詳細說明

現轉至圖式，其中相似特徵由相似參考數字標示，圖1為示意性說明根據本發明的光學設備之一較佳實施例10之平面圖。光學設備10包括多個(此處，5個)雷射，根據由每一雷射產生的雷射束之波長，明確地指示於圖式中。波長為355奈米(nm)、405 nm、488 nm、561 nm及637 nm。此等波長為例示性，且不應被視為限制性，但與市售二極體雷射及二極體泵浦固態雷射之波長一致。

與雷射相關聯的為對應的多個望遠鏡(光束擴展器)，其中之各者由一負透鏡12及一正透鏡14形成。不同雷射束中之透鏡針對功能之類似性由相同參考數字標示，但與不同射束擴展程度一致，可具有不同規格。下文進一步論述例示性規格。由望遠鏡傳遞之雷射束經準直且在橫截面上為圓形。

應理解，如在此描述及隨附權利要求書中使用之術語「經準直」認識到，雷射束很少經精密地準直，甚至在意欲精密準直時。準直之程度隨距準直裝置之距離而變化，此係歸因於高斯(Gaussian)射束傳播效應，如此項技術中眾所周知。亦應理解，術語「圓形」允許雷射束可在橫截面上為稍微橢圓形，具有在數百分比內相同之長軸與短軸，而非為精密圓形。下文，元件及射束在光學設備10中之定向及佈置將參考在圖式中描繪之笛卡爾X、Y及Z軸來論述。

個別雷射束之射束直徑與波長大約成比例地減小，且由一轉向鏡16及四個二向色射束組合鏡18沿著Z軸同軸組合。本文中，當射束橫截面為大約圓形時，使用「射束直徑」，且當射束橫截面為非圓形(橢圓形)時，使用「射束寬度」。如同望遠鏡透鏡12及14，射束組合鏡18針對功能之類似性由相同參考數字標示，但具有取決於正傳輸或反射的特定波長之不同規格。二向色射束組合佈置對此項技術之從業者而言係熟知的，且其詳細描述對於理解本發明之原理並非必要。雷射、望遠鏡、轉向鏡及射束組合鏡共同地形成一照射源，其傳遞具有取決於波長之不同射束寬度的多個經準直同軸雷射束。

同軸組合之雷射束經傳遞至一發明性三元件變形聚焦物鏡20。變形物鏡20包括兩個圓柱形透鏡22及24，及一旋轉對稱透鏡26。Z軸為透鏡22、24及26之一共同光軸，以及同軸組合之雷射束之傳播軸線。變形物鏡沿著Z軸將雷射束朝向工作平面(未描繪)投射，以在工作平面中形成細長焦點。下文進一步提出變形物鏡20之功能之詳細描述。

用於光學設備10中之望遠鏡透鏡12及14的例示性規格在下表1中提出。「EFL」為有效焦距，「入射束直徑」為入射於望遠鏡透鏡12上的雷射束之射束直徑，且「間距」為望遠鏡透鏡12與14之間的距離。EFL、入射束直徑及間距皆具有之單位為毫米(mm)。
表1

表1之規格將提供分別約2.0 mm、約2.3 mm、約2.9 mm、約3.4 mm及約4.0 mm的針對355 nm、405 nm、488 nm、561 nm及637 nm之標稱射束直徑。標稱射束直徑與雷射束之波長大致成比例。

圖2A及圖2B示意性說明圖1之變形物鏡20之一較佳實施例之細節。為了說明之簡單明瞭，僅描繪五個同軸組合雷射束中之三個。在此實例中，該等雷射束皆描繪為當入射於變形物鏡20上時具有圓形橫截面。然而，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，由望遠鏡傳遞之經準直雷射束在橫截面上可為非圓形。

圖2A為變形物鏡之Y-Z平面中的側視圖。在此視圖中，入射雷射束由變形物鏡20在工作平面30中在距旋轉對稱透鏡26之工作距離D₃ 處緊緊地聚焦。在Y-Z平面中，所有射束腰部位於工作平面30中周圍，且所有射束腰部寬度相同。此共同射束腰部寬度界定工作平面中的以上論述之細長焦距之高度。以實例說明，若工作平面30含有正在流式細胞儀中照射之一粒子流，則該粒子流之流動方向將沿著Y軸。

圖2B為變形物鏡之X-Z平面中的平面圖。圓柱形透鏡22及24軸向分開一段距離D1。負圓柱形透鏡24與旋轉對稱透鏡軸向分開一段距離D2。正圓柱形透鏡22及負圓柱形透鏡24僅在X橫方向上具有光功率，且在Y橫方向上無光功率。旋轉對稱透鏡26在X及Y兩個橫方向上具有正光功率。在此實例中，圓柱形透鏡22為平凸光學元件，圓柱形透鏡24為平凹光學元件，且旋轉對稱透鏡26為平凸光學元件。在以上提到之流式細胞儀佈置中，沿著Y軸流動之粒子流將垂直於圖式之平面。

在X-Z平面中，取決於波長，雷射束聚焦於超出工作平面之不同距離處。該等距離經選擇使得所有雷射束在工作平面30中具有大約相同射束寬度。此共同射束寬度界定以上論述之細長焦距之寬度。原由上，故意且顯著地使發明性變形物鏡20散光以達成所有雷射束之此共同射束寬度。以下參看圖3闡述此故意引入且顯著的散光之詳細描述。

圖3為示意性說明作為自圖2之工作平面30沿著Z軸之位移之函數的計算之射束寬度之曲線圖。該曲線圖係使用可購自Kirkland, Washington之Zemax LLC的ZEMAX光學設計軟體產生。

假定入射於變形物鏡20上的雷射束之射束直徑對於分別355 nm、405 nm、488 nm、561 nm及637 nm為2.0 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.4 mm及4.0 mm。假定，正圓柱形透鏡22具有131.3 mm之EFL、3.6 mm之中心厚度及60.19 mm之曲率半徑(ROC)。負圓柱形透鏡24具有-87.5 mm之EFL、2.9 mm之中心厚度及40.13 mm之ROC。圓柱形透鏡22與24之絕對EFL之比率為約1.5。旋轉對稱透鏡26具有70 mm之EFL、2.9 mm之中心厚度及32.2 mm之ROC。假定圖2A及圖2B之距離D₁ 、D₂ 及D₃ 分別為36.71 mm、2.5 mm及67.5 mm。所有透鏡係自對於透射紫外線輻射(諸如，在本實例中，355 nm輻射)特別有利之熔融矽石製造。

圖3中之工作平面30處於位移零(0 mm)處。橫向Y橫方向(實線曲線)上的所有雷射束之射束腰部位於工作平面中。雷射束按波長及橫方向標示，例如，在Y橫方向上，針對637 nm，標示為「637Y」。入射於變形物鏡20上的雷射束之射束直徑經選擇使得所有雷射束在Y橫方向上具有相同射束腰部寬度，此處，約15 μm。

在X橫方向(虛線曲線)上之射束腰部位於不同位移處，該等位移經選擇使得該等雷射束在X橫方向上在工作平面30中具有一共同射束寬度，此處，約90 μm。此佈置創造在工作平面中具有約15 μm×約90 μm之高度×寬度尺寸的細長焦點。此處，再次，射束腰部按波長及橫方向標為，例如，「355X」。

可看出，在X橫方向上的所有雷射束之射束腰部寬度為約21 μm，但此等射束腰部沿著Z軸在距工作平面最近與最遠之間的約2.5 mm之距離上散佈。最近射束腰部(637X)自工作平面移位大於2.0 mm。此顯著比在Y橫方向上的355 nm雷射束之一個瑞立(Rayleigh)範圍(在圖式中標注為「R₃₅₅ 」)大(約四倍大)。最短波長355 nm雷射束具有最寬瑞立範圍。「瑞立範圍」為自波束腰部至橫向平面之距離，其中射束寬度等於V2乘對應的射束腰部寬度。亦可看出，在X橫方向上的所有射束腰部之散佈顯著比其中之任一者之瑞立範圍大。

雖然本發明之變形物鏡之上述實例依賴於使射束腰部在X橫方向上位於工作平面外以達成在工作平面中之共同射束大小，但若射束腰部位置更靠近工作平面，可達成類似結果。此示意性地描繪於圖4之曲線圖中。

在圖4之實例中，基本透鏡組配如在圖2A及圖2B中所描述。假定入射於變形物鏡20上的雷射束之射束直徑對於分別355 nm、405 nm、488 nm、561 nm及637 nm為2.0 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.4 mm及4.0 mm。假定，正圓柱形透鏡22具有33.3 mm之EFL、3.6 mm之中心厚度及15.3 mm之ROC。負圓柱形透鏡24具有-22.2 mm之EFL、2.9 mm之中心厚度及10.2 mm之ROC。此處，再次，圓柱形透鏡22與24之絕對EFL之比率為約1.5。旋轉對稱透鏡26具有70 mm之EFL、2.9 mm之中心厚度及32.2 mm之ROC。假定圖2A及圖2B之距離D₁ 、D₂ 及D₃ 分別為8.5 mm、2.5 mm及67.6 mm。所有透鏡皆自熔融矽石製造。

在一些應用中，有利地是，將個別細長焦點在Y橫方向上組配成線性焦點陣列而非將其組合成一單一細長焦點，以在工作平面中形成具有不同波長的細長焦點之堆疊佈置。熟習光學設計之技術者將認識到，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，可使用本發明性變形物鏡達成此佈置。舉例而言，在具有傳遞至變形物件的經準直射束之稍微不同入射角之一組配中。可藉由傾斜對應的轉向鏡或射束組合鏡來輕微調整入射角。組合雷射束將仍幾乎、但不精確地同軸。

具有不同於15 μm×90 μm之尺寸的細長焦點可藉由替換變形物鏡光學器件來形成。舉例而言，具有尺寸10 μm×60 μm或10 μm×70 μm之細長焦點。自本文中提供之描述，熟習此項技術者將認識到，可形成具有寬的高度:寬度比範圍之細長焦點；在至少自1:2至1:20之一範圍上。一般而言，假定雷射束具有約相同射束品質(M² ，如此項技術中已知)，針對所需工作平面選擇旋轉對稱透鏡。藉由調整對應的望遠鏡以達成在Y橫向軸上之所需的射束腰部寬度來設定經準直之雷射束的射束寬度。圓柱形透鏡經選擇以達成以上論述的在X橫向軸上之所需的射束寬度，較佳地，維持圓柱形透鏡之絕對EFL之約1.5比率。

本發明之一優勢在於，可在不替換變形物鏡或其透鏡中之任何者之情況下，藉由僅調整工作距離D₃ 及望遠鏡透鏡之軸向位置來修改細長焦點之高度對寬度比。為了修改細長焦點之僅寬度，調整工作距離以達成在X橫方向上之所要的寬度，接著調整望遠鏡光學器件之軸向位置以在Y橫向方向上將雷射束重新聚焦至工作平面。

本發明之另一優勢在於，工作平面中的各個別細長焦點之橫向位置對對應的雷射之射束指向中之波動相對不敏感。對於具有尺寸15 μm×90 μm之例示性細長焦點，射束指向之實質上100微米弧度改變將引起沿著X橫向軸之僅10 μm位移或沿著Y橫向軸之7 μm位移。發現圓柱形透鏡22及24之絕對EFL之約1.5比率有利於使對射束指向中的波動之敏感性減小化。

總之，在本發明中，藉由消除使物鏡共點之需求，從而允許將散光用作設計工具，設計及製造用於投射具有不同波長之多個射束的消色差變形物鏡之挑戰得以減輕。熟習光學設計之技術者將認識到，必須故意將為本發明之變形物鏡之功能之關鍵的在圖3及圖4中描繪之「顯著散光」引入至變形物鏡之設計內以達成所描述之結果。該散光之量值遠遠大於在經設計為共點之透鏡中存在之任何殘餘散光。

以上參考較佳實施例描述本發明。然而，本發明不限於本文中描述及描繪之實施例。相反地，本發明僅受到隨附於此之申請專利範圍限制。

10‧‧‧光學設備

12、14‧‧‧望遠鏡透鏡

16‧‧‧轉向鏡

18‧‧‧二向色射束組合鏡

20‧‧‧三元件變形聚焦物鏡

22、24‧‧‧圓柱形透鏡/望遠鏡透鏡

26‧‧‧旋轉對稱透鏡

30‧‧‧工作平面

D1、D2、D3‧‧‧距離

被併入說明書中且構成說明書之一部分的隨附圖式示意性地說明本發明之一較佳實施例，且與以上給出之大體描述及以下給出之較佳實施例之詳細描述一起用以解釋本發明之原理。

圖1為示意性說明根據本發明的光學設備之一較佳實施例之平面圖，包括傳遞具有對應的多個不同波長之輻射束之多個雷射、經佈置以準直各別射束且將其擴大至大約與不同波長成比例之不同直徑的對應之多個望遠鏡、用於同軸組合經準直及擴大射束之射束組合器及經佈置以在設備之工作平面中聚焦射束之一變形聚焦物鏡。

圖2A及圖2B分別為圖1之變形物鏡之一較佳佈置之側視圖及平面圖，包括兩個圓柱形透鏡元件及一旋轉對稱透鏡元件。

圖3為示意性說明在圖2A及圖2B之透鏡之一個實例中的作為距工作平面之位移之函數的射束寬度之曲線圖，其中在Y橫方向上的所有射束之射束腰部位於工作平面中且具有相同射束腰部寬度，且在X橫方向上之射束腰部在工作平面外位於經選擇使得射束在工作平面中具有一共同射束寬度之不同波長相關距離處。

圖4為示意性說明在圖2A及圖2B之透鏡之另一實例中的作為距工作平面之位移之函數的射束寬度之曲線圖，其中在Y橫方向上的所有射束之射束腰部位於工作平面中且具有相同射束腰部寬度，且在X橫方向上之射束腰部位置更靠近工作平面，處外位於經選擇使得射束在工作平面中具有一共同射束寬度之不同波長相關距離處。

Claims (20)

1. 一種光學設備，包含： 一照射源，其經佈置以傳遞多個經準直之同軸雷射束，其中之各雷射束具有一不同波長及一不同射束寬度； 一變形物鏡，其具有相互正交之第一及第二橫方向，該物鏡經佈置以自該照射源接收該等雷射束，且將該等雷射束朝向處於距該物鏡一工作距離處之一工作平面投射；及 其中該物鏡經組配及佈置使得在該物鏡之該第一橫方向上，該等雷射束各聚焦至位於該工作平面周圍且具有大約相同射束腰部寬度之一射束腰部，且在該物鏡之該第二橫方向上，該等雷射束各聚焦至處於自該工作平面偏移之不同位置處之射束腰部，偏移量經選擇使得該等雷射束在該工作平面中具有大約相同射束寬度。
2. 如請求項1之設備，其中在該第二橫方向上，該等雷射束聚焦處距該照射源比距該工作平面還遠。
3. 如請求項1之設備，其中在該第二橫方向上，該等雷射束聚焦處距該照射源比距該工作平面還近。
4. 如請求項1之設備，其中在該第二橫方向上，該射束腰部自該工作平面偏移的量多於在該第一橫向方向上的該等聚焦之雷射束之一個瑞立範圍(Rayleigh-range)。
5. 如請求項4之設備，其中在該第二橫方向上之該等不同射束腰部自該工作平面偏移的量為在該第一橫向方向上的該等聚焦之雷射束之該瑞立範圍的至少四倍。
6. 如請求項1之設備，其中在該工作平面中，在該第一橫向方向上的該等雷射束之該射束寬度為約15 μm，且在該第二橫方向上的該等雷射束之該射束寬度為約90 μm。
7. 如請求項1之設備，其中在該工作平面中，在該第一橫向方向上的該等雷射束之該射束寬度為約10 μm，且在該第二橫方向上的該等雷射束之該射束寬度為約70 μm。
8. 如請求項1之設備，其中距該照射源之該等經準直之同軸雷射束具有一大約圓形橫截面。
9. 如請求項1之設備，其中該變形物鏡由沿著一共同光軸相互間隔開之第一、第二及第三透鏡元件組成，該第一透鏡元件在該第一橫方向上具有零光學功率且在該第二橫方向上具有正光學功率，該第二透鏡元件在該第一橫方向上具有零光學功率且在該第二橫方向上具有負光學功率，且該第三透鏡元件在該第一及該第二橫方向上具有正光學功率。
10. 如請求項9之設備，其中該第二透鏡元件之絕對焦距為該第一透鏡元件之絕對焦距之約1.5倍。
11. 如請求項9之設備，其中該第一、該第二及該第三透鏡元件為單一態透鏡元件。
12. 如請求項11之設備，其中該第一、該第二及該第三透鏡元件係自相同光學材料製造。
13. 如請求項12之設備，其中該光學材料為熔融矽石。
14. 如請求項1之設備，其中該等雷射束在該工作平面中形成一細長焦點，在該第一橫向方向上之該大約相同射束腰部寬度界定該焦點之一高度，且在該第二橫向方向上之該大約相同射束腰部寬度界定該焦點之一寬度。
15. 如請求項1之設備，其中該等雷射束在該第一橫向方向上在該工作平面中形成細長焦點之一堆疊佈置，每一焦點具有一不同波長。
16. 一種光學設備，包含： 一照射源，其經佈置以傳遞多個經準直之同軸雷射束，其中之各雷射束具有一不同波長及一不同射束寬度； 一變形物鏡，其具有相互正交之第一及第二橫方向，該物鏡經佈置以自該照射源接收該等雷射束，且將該等雷射束朝向處於距該物鏡一工作距離處之一工作平面投射； 其中該變形物鏡由沿著一傳播軸線按數值次序佈置之第一、第二及第三透鏡元件組成，該第一透鏡元件在該第一橫方向上具有零光學功率且在該第二橫方向上具有正光學功率，該第二透鏡元件在該第一橫方向上具有零光學功率且在該第二橫方向上具有負光學功率，且該第三透鏡元件在該第一及該第二橫方向上具有正光學功率；及 其中該第一、該第二及該第三透鏡元件經佈置使得在該物鏡之該第一橫方向上，該等雷射束各聚焦至位於該工作平面周圍且具有大約相同射束腰部寬度之一射束腰部，且在該物鏡之該第二橫方向上，該等雷射束各聚焦至處於自該工作平面偏移之不同位置處之射束腰部，偏移量經選擇使得該等雷射束在該工作平面中具有大約相同射束寬度。
17. 如請求項16之設備，其中在該第二橫方向上，該射束腰部自該工作平面偏移的量多於在該第一橫向方向上的該等聚焦之雷射束之一個瑞立範圍。
18. 如請求項17之設備，其中在該第二橫方向上之該等不同射束腰部自該工作平面偏移的量為在該第一橫向方向上的該等聚焦之雷射束之該瑞立範圍的至少四倍。
19. 如請求項16之設備，其中該第一、該第二及該第三透鏡元件為單一態透鏡元件。
20. 如請求項19之設備，其中該第一、該第二及該第三透鏡元件係自相同光學材料製造。