CN103399390A - 生物芯片扫描仪荧光收集物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光检测光学成像物镜镜头，特别是应用在基于CCD或CMOS成像方法的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，包括8片镜片，从物方起到CCD成像面，荧光信号依次通过：J1平凸正透镜、J2双凹负透镜、J3凹凸正透镜、J4平凸正透镜、J5双凸正透镜、J6凹凸负透镜、J7平平透镜、J8凸凹正透镜，各透镜排列在一条光轴上；其中J5双凸正透镜、J6凹凸负透镜组成双胶合透镜，在J4平凸正透镜的靠近物方的表面上设置孔径光阑，J7平平透镜为发射荧光滤光片。本发明提供的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，结构简单，成本低，视场大，可快速提高扫描速度，显著提高荧光收集效率和检测灵敏度，可以适用于所有可见光波段。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光检测光学成像物镜镜头，特别是应用在基于CCD或CMOS成像方法的生物芯片扫描仪荧光收集物镜。
背景技术
目前大部分的生物芯片扫描仪采用荧光染料标记，利用强激发光照射生物芯片激发荧光信号，并利用探测器探测荧光强度，以获取生物芯片信息，然后经过分析软件处理获得有价值的生物信息。
对于使用CCD成像原理检测的荧光扫描系统，其荧光收集物镜性能的优劣对检测设备的品质起到了关键作用，其成像镜头的几个重要的指标：(1)镜头的数值孔径，使用大数值孔径的物镜可以显著提高荧光检测效率，增强微光信号；(2)工作距离；(3)光学系统的视场，视场尽量大一些；(4)像质优越，光学系统必须保证在有效视场里的成像质量；(5)光学系统的使用波段范围；(6)系统的后截距。
2006年10月25日公开的中国专利公开CN1851520A，名称为“用于快速生物芯片检测的成像镜头”，公开了一种生物芯片快速检测装置的荧光收集成像镜头，虽然满足了生物芯片检测方面的快速、高效、灵敏度高、长工作距离、大视场等优点。但是此镜头也存在以下缺点：(1)此镜头的长度太长；(2)各个视场的成像不是很均匀；(3)镜头的后截距小；(4)荧光试剂的选择范围小。
又如2005年8月24日公开的中国专利公开CN1657913A，名称为“微阵列芯片检测系统”，公开的微阵列芯片检测系统采用CCD成像的方法，该系统使用12片透镜，结构复杂。
发明内容：
针对上述技术问题，本发明将提供一种结构简单、灵敏度高的荧光收集物镜，具体的技术方案为：
生物芯片扫描仪荧光收集物镜，包括8片镜片，从物方起到CCD成像面，荧光信号依次通过：J1平凸正透镜、J2双凹负透镜、J3凹凸正透镜、J4平凸正透镜、J5双凸正透镜、J6凹凸负透镜、J7平平透镜、J8凸凹正透镜，各透镜排列在一条光轴上；其中J5双凸正透镜、J6凹凸负透镜组成双胶合透镜，在J4平凸正透镜的靠近物方的表面上设置孔径光阑，J7平平透镜为发射荧光滤光片。
J1平凸正透镜、J2双凹负透镜、J6凹凸负透镜、J8凸凹正透镜均采用H-ZF52型光学玻璃，J3凹凸正透镜、J4平凸正透镜均采用H-ZBAF3型光学玻璃；J5双凸正透镜采用H-ZK6型光学玻璃，J7平平透镜采用H-K9型光学玻璃。
镜片均是标准球面型透镜，分别加工。
镜头的数值孔径0.4，工作距离长5-7mm。
镜头的后焦距离19mm，以便与光学成像传感器CCD或CMOS连接。
整个镜头的总长度不超过80mm。
本发明提供的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，结构简单，成本低，视场大，可快速提高扫描速度，镜头数值孔径大，可显著提高荧光收集效率，提高仪器的检测灵敏度；配合成像CCD/CMOS，可以得到清晰、分辨率高的荧光图片；工作距离长，方便物方与镜头之间的调节，确保优良的成像质量；镜头可以适用于所有可见光波段，极大地方便了使用者对荧光标记染料的自由选择。
附图说明：
图1：本发明的镜头结构示意图；
图2：本发明镜头的空间频率曲线图；
图3：本发明镜头宽视场范围在像平面上的弥散斑示意图；
图4：本发明的场曲和畸变曲线图；
图5：本发明镜头的光程差曲线图；
图6：本发明镜头的不同视场成像的FFT衍射能量分布图。
具体实施方式：
现结合说明书附图，对荧光检测物镜作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的荧光收集镜头沿光轴从物方到像方依次包括有：生物芯片扫描仪荧光收集物镜，包括8片镜片，从物方起到CCD成像面，荧光信号依次通过：J1平凸正透镜1、J2双凹负透镜2、J3凹凸正透镜3、J4平凸正透镜4、J5双凸正透镜5、J6凹凸负透镜6、J7平平透镜7、J8凸凹正透镜8，各透镜排列在一条光轴上，其中J5双凸正透镜5、J6凹凸负透镜6组成双胶合透镜，在J4平凸正透镜4的靠近物方的表面上设置孔径光阑；J7平平透镜7为发射荧光滤光片。
J1平凸正透镜1、J2双凹负透镜2、J6凹凸负透镜6、J8凸凹正透镜8均采用H-ZF52型光学玻璃，J3凹凸正透镜3、J4平凸正透镜4均采用H-ZBAF3型光学玻璃；J5双凸正透镜5采用H-ZK6型光学玻璃，J7平平透镜7采用H-K9型光学玻璃。
镜头的镜面基本设计数参数依次如下表所示，(单位：毫米)尺寸范围误差±0.2mm：
生物芯片上的荧光染料在入射光的激发下产生荧光信号，部分荧光进入成像镜头，然后依次通过上述的一系列透镜到达最后的检测像面，检测端放置CCD相机。因为是收集发射荧光这样的微弱信号，所以优先使用带有制冷功能的CCD相机，这样可以降低信号的背景噪声，提高信噪比。
平平透镜7为发射荧光滤光片，根据使用不同的荧光染料，可以切换至不同的荧光干涉滤光片。该镜头可针对所有可见光波段进行像差的矫正，便于挑选不同荧光染料。
图2为本发明的空间频率曲线图，图中横坐标为空间频率，纵坐标为光学传递函数。光学传递函数方法是评价光学系统成像质量的主要方法。在频率80lp/mm时，整个视场的光学传递函数仍然在0.25以上，满足了成像要求。
图3为全视场范围像平面上的弥散斑图，荧光收集物镜在整个视场、可见光全波段范围内平衡各种像差。
图4为本发明场曲和畸变曲线图，图中左半部分为场曲曲线图，右半部分为畸变曲线图。
图5为本发明的光程差曲线图，可以看出，各个视场的像差平衡比较均一。
图6为本发明的衍射能量的传输效率，从图中可以看出在光斑半径7um以内，衍射能量的传输效率大于50％。
从以上这些曲线图中可以看出该成像镜头表现优良的光学性能。
Claims (7)
1.生物芯片扫描仪荧光收集物镜，包括8片镜片，其特征在于：从物方起到CCD成像面，荧光信号依次通过：J1平凸正透镜（1）、J2双凹负透镜（2）、J3凹凸正透镜（3）、J4平凸正透镜（4）、J5双凸正透镜（5）、J6凹凸负透镜（6）、J7平平透镜（7）、J8凸凹正透镜（8），各透镜排列在一条光轴上；其中J5双凸正透镜（5）、J6凹凸负透镜（6）组成双胶合透镜，在J4平凸正透镜（4）的靠近物方的表面上设置孔径光阑，J7平平透镜（7）为发射荧光滤光片。
2.根据权利要求1所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：所述的J1平凸正透镜（1）、J2双凹负透镜（2）、J6凹凸负透镜（6）、J8凸凹正透镜（8）均采用H-ZF52型光学玻璃，J3凹凸正透镜（3）、J4平凸正透镜（4）均采用H-ZBAF3型光学玻璃；J5双凸正透镜（5）采用H-ZK6型光学玻璃，J7平平透镜（7）采用H-K9型光学玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：所述的镜头各个镜面的基本设计数参数依次如下所示，（单位：毫米）尺寸范围误差±0.2mm：
镜头表面序号 曲率半径 顶点距离 D光折射率 色散系数
1 Infinity 2.84 1.84663 23.784819
2 -11.22 2.3
3 -6.127 8.8 1.84663 23.784819
4 83.37 1.97
5 -84 7 1.656913 51.12808
6 -17.498 0.6
7 Infinity 6.79 1.656913 51.12808
8 -21.28 8.6
9 42.09 10 1.612718 58.579159
10 -22.59 2.7 1.84663 23.784819
11 -101.16 17
12 Infinity 2 1.516371 64.133559
13 Infinity 8.5
14 38.25 2.45 1.84663 23.784819
15 67.925 19。
4.根据权利要求1或2所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：镜片均是标准球面型透镜。
5.根据权利要求1或2所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：镜头的数值孔径0.4，工作距离长5-7mm。
6.根据权利要求1或2所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：镜头的后焦距离19mm。
7.根据权利要求1或2所述的生物芯片扫描仪荧光收集物镜，其特征在于：整个镜头的总长度不超过80mm。
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