CN103399390B - 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

生物芯片扫描仪荧光收集物镜
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***，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***的视场，视场尽量大一些；(4)像质优越，光学***必须保证在有效视场里的成像质量；(5)光学***的使用波段范围；(6)***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***”，公开的微阵列芯片检测***采用CCD成像的方法，该***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。
生物芯片扫描仪荧光收集物镜的数值孔径0.4，工作距离长5-7mm。
生物芯片扫描仪荧光收集物镜的后焦距离19mm，以便与光学成像传感器CCD或CMOS连接。
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。
生物芯片扫描仪荧光收集物镜的镜片各个镜面设计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***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 (6)

1.生物芯片扫描仪荧光收集物镜，由8片镜片组成，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：所述的镜片各个镜面的设计参数依次如下所示，
单位为毫米，尺寸范围误差±0.2mm。
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：生物芯片扫描仪荧光收集物镜的数值孔径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：生物芯片扫描仪荧光收集物镜的后焦距离19mm。
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