一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统

摘要

一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统属于成像光学系统设计领域，目的在于解决现有技术存在的流式细胞仪显微物镜波带窄，景深小的问题。本发明包括沿光轴自左向右依次排列的第一透镜组、第二透镜组、三次位相板第三透镜组、第八透镜、第四透镜组和第五透镜组；第五透镜组为正透镜组，包括一个二元衍射光学元件，二元衍射光学元件靠近流式细胞仪流动式的一个面为二元光学衍射面，基础面型为平面，三次位相板位于显微物镜光学系统的出瞳位置，背离流式细胞流动室的面的面型为三次曲面。本发明引入二元衍射光学元件以后，色差得到了很好的矫正。同时在加入三次位相板以后，显微物镜的景深扩展了20倍，达到了±16.8μm。

说明书

技术领域

本发明属于成像光学系统设计领域，具体涉及一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统。

背景技术

流式细胞仪作为一种新型的细胞定量分析和分选技术，能够在功能水平上对单个细胞或者亚细胞水平的其他生物粒子进行快速分析。显微物镜是流式细胞仪的重要组成部分，直接决定了细胞仪的观察效果。

流式细胞仪采用激光激发染色细胞荧光发光的方法对细胞进行观测，传统的细胞仪显微物镜大数为单色波或者窄带宽，无法充分满足宽波带的荧光成像，导致细胞信息的缺失。而且，由于显微物镜的数值孔径和景深之间矛盾的存在，导致显微系统景深很小，不能对细胞仪流动室的全部细胞清晰成像。所以，传统的流式细胞仪显微物镜存在成像波带窄，景深小的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统，解决现有技术存在的流式细胞仪显微物镜波带窄，景深小的问题。

为实现上述目的，本发明的一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统包括沿光轴自左向右依次排列的第一透镜组、第二透镜组、三次位相板、第三透镜组、第八透镜、第四透镜组和第五透镜组；

所述第五透镜组为正透镜组，包括一个二元衍射光学元件，所述二元衍射光学元件靠近流式细胞仪流动室的一个面为二元光学衍射面，基础面型为平面，光线通过二元面后的附加相位由下面多项式表示：

$>\phi =M\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_i{\rho }^{2i}$>

其中：N为级数中多项式系数的序号，M为衍射级次，A_i是ρ的第2i次幂的系数，ρ为归一化径向孔径坐标；

所述三次位相板位于显微物镜光学系统的出瞳位置，背离流式细胞仪流动室的面的面型为三次曲面，三次曲面面型表示为：

p(x,y)＝α(x³+y³)

其中：面型参数α＝0.01446。

所述第一透镜组为双胶合透镜，结构为“正负”型；所述第二透镜组为双胶合透镜，结构为“负正”型，所述第一透镜组和第二透镜组整体组成负透镜组。

所述第三透镜组为具有正折射力的三胶合透镜，结构为“负正负”型。

所述第四透镜组为具有负折射力的双胶合透镜，结构为“正负”型。

所述第五透镜组为具有正折射力的三胶合透镜，结构为“正正正”型，其中二元衍射光学元件为远离流式细胞流动式的第十一透镜。

本发明的有益效果为：本发明的一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统引入二元面衍射光学元件，进而达到了较高的消色差效果，使显微物镜在宽波带范围内都能够很好的成像；另外，引入波前编码技术，在显微物镜的出瞳处放置三次位相板。加入三次位相板的显微系统在超出景深一定范围离焦不敏感，可以对采集到的细胞图像进行逆运算，得到大景深高分辨率的细胞图像。

本发明中引入二元衍射光学元件以后，显微物镜的有效波长扩展到400nm～830nm，在此波带范围内MTF达到衍射极限，色差得到了很好的矫正。同时在本发明中加入三次位相板以后，显微物镜的景深扩展了20倍，达到了±16.8μm。

附图说明

图1为本发明的一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统结构示意图；

图2为应用衍射面后宽波带显微物镜MTF图；

图3为不加入三次位相板的显微系统不同离焦下的MTF图；

图4为加入三次位相板的显微系统400nm波长不同离焦下的MTF图；

图5为加入三次位相板的显微系统546nm波长不同离焦下的MTF图；

图6为加入三次位相板的显微系统656nm波长不同离焦下的MTF图；

图7为加入三次位相板的显微系统743nm波长不同离焦下的MTF图；

图8为加入三次位相板的显微系统786nm波长不同离焦下的MTF图；

图9为加入三次位相板的显微系统808nm波长不同离焦下的MTF图；

图10为加入三次位相板的显微系统830nm波长不同离焦下的MTF图；

其中：1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、第四透镜，5、三次位相板，6、第五透镜，7、第六透镜，8、第七透镜，9、第八透镜，10、第九透镜，11、第十透镜，12、第十一透镜，13、第十二透镜，14、第十三透镜，15、流式细胞仪流动室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种用于流式细胞仪宽波带大景深显微物镜光学系统包括沿光轴自左向右依次排列的第一透镜组、第二透镜组、三次位相板5、第三透镜组、第八透镜9、第四透镜组和第五透镜组；所述第八透镜9为正光焦度，材料为KA4；

所述第五透镜组为正透镜组，包括一个二元衍射光学元件，它的主要作用是为了消除光学系统的色差，使得显微物镜能够在一个宽波段范围内有一个较好的成像效果，所述二元衍射光学元件靠近流式细胞仪流动室15的一个面为二元光学衍射面，基础面型为平面，光线通过二元面后的附加相位由下面多项式表示：

$>\phi =M\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_i{\rho }^{2i}$>

其中：N为级数中多项式系数的序号，M为衍射级次，A_i是ρ的第2i次幂的系数，ρ为归一化径向孔径坐标；在此显微系统中N＝3，M＝1，A1＝-5.76198，A2＝4.16×10^-3，A3＝-2.362×10^-5。

所述三次位相板5位于显微物镜光学系统的出瞳位置，其材料为PMMA，是对波前进行调制，进而使显微系统在一定范围内对离焦不敏感，背离流式细胞仪流动室的面的面型为三次曲面，三次曲面面型表示为：

p(x,y)＝α(x³+y³)

其中：面型参数α＝0.01446。

所述第一透镜组为双胶合透镜，包括第一透镜1和第二透镜2，结构为“正负”型，第一透镜1为正光焦度，材料为H-ZF6，第二透镜2为负光焦度，材料为H-LAF6LA；所述第二透镜组为双胶合透镜，包括第三透镜3和第四透镜4，结构为“负正”型，第三透镜3为负光焦度，材料为BAF4，第四透镜4为正光焦度，材料为H-QK3L；所述第一透镜组和第二透镜组整体组成负透镜组，是为了增大光学系统的工作距。

所述第三透镜组为具有正折射力的三胶合透镜，包括第五透镜6、第六透镜7和第七透镜8，结构为“负正负”型，第五透镜6为负光焦度，材料为ZF8，第六透镜7为正光焦度，材料为H-QK3L，第七透镜8为负光焦度，材料为H-LAF4。

所述第四透镜组为具有负折射力的双胶合透镜，包括第九透镜10和第十透镜11，结构为“正负”型，第九透镜10为正光焦度，材料为H-QK3L，第十透镜11为负光焦度，材料为H-LAF62。

所述第五透镜组为具有正折射力的三胶合透镜，包括第十一透镜12、第十二透镜13和第十三透镜14，结构为“正正正”型，将光线汇聚，其中二元衍射光学元件为远离流式细胞流动式的第十一透镜12，第十一透镜12为正光焦度，材料为D-K9L，靠近流动室的一个面为衍射面，另一个面为凸面，第十二透镜13为正光焦度，材料为H-QK3L，第十三透镜14为正光焦度，材料为H-ZK20。流式细胞仪流动室15距离第十三透镜14后表面距离为9.2mm，满足大工作距的要求。

通过添加二元面衍射光学器件，显微物镜在400nm-830nm的宽波段范围内色差能够得到很好的矫正。参见附图2，显微物镜的MTF图，光学系统的MTF值已经达到衍射极限，表明像差能够得到很好的矫正。

通过添加三次位相板5元件，使得显微物镜超出景深一定范围离焦不敏感，进而可以对图像进行逆变换，得到高分辨率的清晰图像，实现显微系统的扩焦深。参见附图3，为传统显微系统在离焦量分别为16.8μm，8.4μm，0μm，-8.4μm，-16.4μm五种情况下的MTF图。在离焦情况下显微系统的MTF变化很大，离焦量越大，显微系统的MTF越差。参见附图4，为在400nm荧光波长下大景深显微系统在离焦量分别为16.8μm，8.4μm，0μm，-8.4μm，-16.4μm五种情况下的MTF图。加入三次位相板5进行波前编码后，在不同离焦量下显微系统的MTF无明显变化，可通过逆变换得到高分辨率的清新图像。显微系统的景深扩展了20倍，达到了±16.8μm。参见附图5、附图6、附图7、附图8、附图9和附图10，分别为加入三次位相板5的显微系统在546nm，656nm，743nm，786nm，808nm，830nm的荧光波长下，在离焦量分别为16.8μm，8.4μm，0μm，-8.4μm，-16.4μm五种情况下的MTF图，三次位相板5对于7种荧光波长均有很好的扩景深效果。

参见表1，为本发明的宽波带大景深显微物镜参数。

表1