成像流式细胞仪的显微成像光学系统的制作方法
【专利摘要】成像流式细胞仪的显微成像光学系统，涉及生物学和医学的光学仪器领域，解决了现有成像流式细胞仪的光学系统存在的光谱成像通道数较少、成像质量不能够达到衍射极限、无法提高细胞仪的分辨率的问题。包括显微物镜、二次成像镜组、多光谱分光器件、多光谱成像物镜和TDI相机。待测样品通过消色差显微物镜完成全波段高分辨率的放大成像，然后经过二次成像镜组得到一个中间像面，中间像面处放置一个视场光阑，再通过二次成像镜组准直，由多光谱分光器件堆栈分光，经多光谱成像物镜会聚于TDI相机。本发明采用全光谱分波段多重结构，保证成像光学系统的成像质量在各光谱通道均能够达到衍射极限，整个系统的最小探测尺寸达到40nm。
【专利说明】成像流式细胞仪的显微成像光学系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物学和医学的光学仪器【技术领域】，具体涉及一种成像流式细胞仪的 显微成像光学系统。
【背景技术】
[0002] 流式细胞术是一种用以对液流中排成单列的细胞或其它生物微粒（如微球，细 菌，小型模式生物等）逐个进行快速定量分析和分选的技术。在生物学与医学领域，当需 要对大量的细胞进行扫描时，流式细胞仪完全牺牲空间分辨率，可以获得高的检测速度，数 十千个细胞每秒。成像流式细胞仪不仅能够获得大量细胞的群体分析数据，而且还能够实 时看到细胞图像，每一步的分析结果都可以通过图像进行确认。当需要获得细胞形态及内 部结构信息时，相对于传统的流式细胞仪，成像流式细胞仪有着更大的优势。
[0003] 目前，成像流式细胞仪已经在国际上获得了极大的重视，以美国Merck Millipore 旗下的Amnis公司为代表已经做出了性能不错的成像流式细胞仪，型号有Image Stream Mark II和Flow Sight等，能实时捕获每个流动细胞最多可以达到12幅高分辨率图像，检 测速率可达5000细胞/秒，并具有更强荧光灵敏度。
[0004] 成像流式细胞仪对细胞进行多光谱、高分辨率的显微成像，其光学系统的设计直 接影响着整个系统的性能指标，如细胞成像分辨率、多光谱通道数以及最小可探测细胞尺 寸等等。现有的成像流式细胞仪的光学系统结构多种多样，但是普遍存在着一些问题：光谱 成像通道数较少，成像质量不能够达到衍射极限，无法提高细胞仪的分辨率。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有成像流式细胞仪的光学系统存在的光谱成像通道数较少、成像质量 不能够达到衍射极限、无法提高细胞仪的分辨率的问题，本发明提供一种成像流式细胞仪 的显微成像光学系统。
[0006] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] 本发明的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，包括：
[0008] 主要由八个透镜组组成的显微物镜，其中一个透镜组的前表面是一个以平面为基 底的二元衍射面；所述显微物镜对待测样品进行消色差作用后完成全波段清晰放大成像；
[0009] 主要由第九透镜组、第十透镜组、用于限制待测样品成像视场的视场光阑、与第十 透镜组关于视场光阑中心对称的第十一透镜组、与第九透镜组关于视场光阑中心对称的第 十二透镜组组成的二次成像镜组，所述视场光阑放置在由第九透镜组、第十透镜组、第十一 透镜组、第十二透镜组形成的中间像面处；待测样品的放大图像依次经第九透镜组、第十透 镜组和视场光阑作用后形成中间像，中间像的光束再依次经第十一透镜组和第十二透镜组 作用后准直成平行光出射；
[0010] 由六个长波通二向色镜组成的多光谱分光器件，六个长波通二向色镜分别对应六 个分光通道，每个分光通道对应一个分光波段，通过改变六个长波通二向色镜之间的角度 改变对应分光通道的方向；所述多光谱分光器件接收由二次成像镜组出射的平行光，通过 六个长波通二向色镜对平行光进行堆栈分光后分别通过六个分光通道出射；
[0011] 对由六个分光通道出射的光线进行分波段色差校正作用的多光谱成像物镜，保证 系统宽波段的多光谱清晰成像；
[0012] 对由多光谱成像物镜分波段校正色差后的光线进行聚焦成像的TDI相机。
[0013] 所述显微物镜为无限远共轭距，数值孔径NA为0. 75,组合焦距为4. 58mm，工作距 离为4?6_，视场为60 μ mX 128 μ m，工作波段为400?800nm。
[0014] 所述显微物镜中的八个透镜组分别为第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四 透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组和第八透镜组；所述第一透镜组、第二透镜组 和第三透镜组光焦度均为正；第三透镜组前表面是一个以平面为基底的二元衍射面，用于 校正色差，使得400?830nm全波段均能清晰成像；所述第六透镜组为三胶合透镜，光焦度 为负-正-负；所述第七透镜组和第八透镜组光焦度均为负，所述第七透镜组和第八透镜组 的负光焦度可增大显微物镜工作距离；所述第四透镜组、第七透镜组和第八透镜组均为双 胶合透镜。
[0015] 所述第一透镜组采用H-ZK20材料制成，前表面曲率半径为10. 1018mm，厚度为 7. 0050mm，后表面曲率半径为7. 9507mm，厚度为4. 4683mm ;所述第二透镜组采用H-QK3L材 料制成，前表面曲率半径为55. 1761mm，厚度为0. 1998mm，后表面曲率半径为16. 4824mm，厚 度为5. OOOOmm ;所述第三透镜组采用D-K9L材料制成，前表面即二元衍射面曲率半径为无 穷大，厚度为0. 1989mm，后表面曲率半径为31. 9629mm，厚度为4. OOOOmm ;所述第四透镜组 采用H-LAF62材料和H-QK3L材料制成，前表面曲率半径为81. 3780mm，厚度为18. 6998mm， 胶合面曲率半径为-20. 5108mm，厚度为3. 7000mm，后表面曲率半径为61. 8605mm，厚度 为9. OOOOmm ;所述第五透镜组采用K4A材料制成，前表面曲率半径为-22. 3502mm，厚度为 0· 3872mm，后表面曲率半径为86. 0363mm，厚度为7. 9904mm ;所述第六透镜组采用H-LAF4 材料、H-QK3L材料和ZF8材料制成，前表面曲率半径为-50. 0536mm，厚度为0· 2939mm，第 二胶合面曲率半径为-21. 6984mm，厚度为7. 9904mm，第一胶合面曲率半径为18. 8740mm， 厚度为0. 2939mm，后表面曲率半径为374. 5895mm，厚度为2. 5000mm ;所述第七透镜组采用 H-QK3L材料和BAF4材料制成，前表面曲率半径为-9. 7646mm，厚度为9. 3359mm，胶合面曲 率半径为20. 0454mm，厚度为7. 9246mm，后表面曲率半径为-5. 5751mm，厚度为3. OOOOmm ;所 述第八透镜组采用H-LAF6LA材料和H-ZF6材料制成，前表面曲率半径为5. 5342mm，厚度为 3. 1541mm，胶合面曲率半径为-13. 8856mm，厚度为2. 0000mm，后表面曲率半径为9. 9050mm， 厚度为3. 4190mm。
[0016] 所述显微物镜还包括位于第六透镜组前表面之上的孔径光阑，所述孔径光阑的曲 率半径为-50. 0536mm，厚度为0. 2939mm。
[0017] 所述第九透镜组、第十透镜组、第十一透镜组和第十二透镜组均为双胶合透镜；所 述第九透镜组和第十透镜组的组合焦距为36. 5mm。
[0018] 所述第九透镜组采用H-LAF62材料和H-QK3L材料制成，前表面曲率半径为 30. 0530mm，厚度为3. 7000mm，胶合面曲率半径为11. 7345mm，厚度为6. 0000mm，后表面曲率 半径为54. 3265mm，厚度为0. 9102mm ;所述第十透镜组采用H-LAF62材料和H-QK3L材料制 成，前表面曲率半径为14. 4775mm，厚度为3. 7000mm，胶合面曲率半径为10. 6706mm，厚度为 6. 0000mm，后表面曲率半径为-126. 5531mm，厚度为26. 6872mm ;所述视场光阑尺寸为长X 宽=3mmX0. 5mm〇
[0019] 所述多光谱分光器件中的六个长波通二向色镜分别为第一二向色镜、第二二向 色镜、第三二向色镜、第四二向色镜、第五二向色镜和第六二向色镜，所述第一二向色镜 与光轴的夹角为44. 02°，分光波段为420?480nm ;所述第二二向色镜与光轴的夹角为 44. 4Γ，分光波段为480?560nm;所述第三二向色镜与光轴的夹角为44.80°，分光波段 为560?600nm ;所述第四二向色镜与光轴的夹角为45. 20°，分光波段为600?640nm、第 五二向色镜与光轴的夹角为45. 59°，分光波段为640?745nm ;所述第六二向色镜与光轴 的夹角为45. 98°，分光波段为745?800nm〇
[0020] 所述多光谱成像物镜包括第十三镜组、第十四镜组和第十五镜组，所述第十三 镜组、第十四镜组和第十五镜组均为双胶合透镜且均为正光焦度；所述第十三镜组采 用H-TF3L材料和H-FK71材料制成，上表面曲率半径为97. 7468mm，厚度为8. 0000mm， 胶合面曲率半径为86. 8020mm，厚度为12. 0000mm，下表面曲率半径为-244. 0957mm，厚 度为48. 3617mm ;第十四镜组采用H-FK71材料和H-TF3L材料制成，上表面曲率半径为 908. 4018mm，厚度为8. 0000mm，胶合面曲率半径为-44. 0402mm，厚度为6. 0000mm，下表面曲 率半径为272. 9051mm，厚度为56. 4095mm ;第十五镜组采用D-ZLAF52LA材料和D-LAK6材料 制成，上表面曲率半径为59. 4329mm，厚度为6. 0000mm，胶合面曲率半径为-65. 6382mm，厚 度为8. 0000mm，下表面曲率半径为38. 1601mm，厚度为97. 2288mm。
[0021] 所述TDI相机选用日本滨松的C10000-801型号TDI相机，分辨率为2048 X 128,像 元大小为12 μπιΧ12 μπι，线速率0· 45?50KHz。
[0022] 本发明的有益效果是：
[0023] 1、本发明的目的是为满足成像流式细胞仪多光谱、高分辨率的显微成像，采用全 光谱分波段多重结构，保证成像光学系统的成像质量在各光谱通道均能够达到衍射极限， 整个系统的最小探测尺寸达到40nm。
[0024] 2、本发明中显微物镜中引入一个衍射面校正色差，保证显微物镜的成像质量在全 波段下均达到衍射极限。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的成像流式细胞仪的显微成像光学系统的光路结构示意图。
[0026] 图2为显微物镜逆向设计的光路结构示意图。
[0027] 图3为显微物镜的光学传递函数曲线图。
[0028] 图4至图9为本发明的显微成像光学系统6个分光通道的光学传递函数曲线图。
[0029] 图中：100、显微物镜，101、第一透镜组，102、第二透镜组，103、第三透镜组，104、 第四透镜组，105、第五透镜组，106、第六透镜组，107、第七透镜组，108、第八透镜组，109、孔 径光阑，200、二次成像镜组，201、第九透镜组，202、第十透镜组，203、视场光阑，204、第^^一 透镜组，205、第十二透镜组，300、多光谱分光器件，301、第一二向色镜，302、第二二向色镜， 303、第三二向色镜，304、第四二向色镜，305、第五二向色镜，306、第六二向色镜，400、多光 谱成像物镜，401、第十三镜组，402、第十四镜组，403、第十五镜组，500、TDI相机。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0031] 如图1所示，本发明的成像流式细胞仪的显微成像光学系统包括显微物镜100、二 次成像镜组200、多光谱分光器件300、多光谱成像物镜400和TDI相机500。待测样品通过 消色差显微物镜100完成全波段高分辨率的放大成像，然后经过二次成像镜组200得到一 个中间像面，中间像面处放置一个视场光阑203,再通过二次成像镜组200准直，由多光谱 分光器件300堆栈分光，最终经过多光谱成像物镜400会聚于TDI相机500。
[0032] 显微物镜100为无限远共轭距，数值孔径NA为0. 75,组合焦距为4. 58mm，工作距 离为4?6mm，最好为5. 1mm，视场为60 μ mX 128 μ m，工作波段为400?800nm，显微物镜 100中引入衍射元件校正色差达到全波段清晰成像。如图2所示，显微物镜100主要由第一 透镜组101、第二透镜组102、第三透镜组103、第四透镜组104、第五透镜组105、孔径光阑 109、第六透镜组106、第七透镜组107和第八透镜组108组成，这些透镜组组合在一起对显 微物镜100宽波段的成像进行色差校正。显微物镜100采用反远距结构，前组的第一透镜 组101、第二透镜组102和第三透镜组103光焦度为正，后组的第七透镜组107和第八透镜 组108的光焦度为负，其中第七透镜组107和第八透镜组108的负光焦度可增大显微物镜 100的工作距离；第四透镜组104、第七透镜组107以及第八透镜组108均为双胶合透镜；第 六透镜组106为三胶合透镜，光焦度为负-正-负，孔径光阑109位于第六透镜组106前表 面之上；第三透镜组103前表面是一个以平面为基底的二元衍射面（Binary 2)，用于校正 色差，使得波段400?830nm全波段均能清晰成像，其中830nm为成像流式细胞仪用于对焦 和测速的光源波长。表1给出了显微物镜100逆向设计的设计结果，包括各透镜的具体参 数，表2给出了第三透镜组103的二元衍射面（Binary 2)的位置和附加参数。
[0033] 表 1
【权利要求】
1. 成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，包括： 主要由八个透镜组组成的显微物镜（100)，其中一个透镜组的前表面是一个W平面为 基底的二元衍射面；所述显微物镜（100)对待测样品进行消色差作用后完成全波段清晰放 大成像； 主要由第九透镜组（201)、第十透镜组（202)、用于限制待测样品成像视场的视场光 阔（203)、与第十透镜组（202)关于视场光阔（203)中屯、对称的第十一透镜组（204)、与第 九透镜组（201)关于视场光阔（203)中屯、对称的第十二透镜组（205)组成的二次成像镜 组（200)，所述视场光阔（203)放置在由第九透镜组（201)、第十透镜组（202)、第十一透镜 组（204)、第十二透镜组（205)形成的中间像面处；待测样品的放大图像依次经第九透镜组 (201)、第十透镜组（202)和视场光阔（203)作用后形成中间像，中间像的光束再依次经第 十一透镜组（204)和第十二透镜组（205)作用后准直成平行光出射； 由六个长波通二向色镜组成的多光谱分光器件（300)，六个长波通二向色镜分别对应 六个分光通道，每个分光通道对应一个分光波段，通过改变六个长波通二向色镜之间的角 度改变对应分光通道的方向；所述多光谱分光器件（300)接收由二次成像镜组（200)出 射的平行光，通过六个长波通二向色镜对平行光进行堆找分光后分别通过六个分光通道出 射； 对由六个分光通道出射的光线进行分波段色差校正作用的多光谱成像物镜（400)，保 证系统宽波段的多光谱清晰成像； 对由多光谱成像物镜（400)分波段校正色差后的光线进行聚焦成像的TDI相机巧00)。
2. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述显 微物镜（100)为无限远共辆距，数值孔径NA为0. 75,组合焦距为4. 58mm，工作距离为4? 6mm，视场为60 y mX 128 y m，工作波段为400?800nm。
3. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述 显微物镜（100)中的八个透镜组分别为第一透镜组（101)、第二透镜组（102)、第=透镜 组（103)、第四透镜组（104)、第五透镜组（105)、第六透镜组（106)、第走透镜组（107)和 第八透镜组（108);所述第一透镜组（101)、第二透镜组（102)和第S透镜组（103)光焦 度均为正；第=透镜组（103)前表面是一个W平面为基底的二元衍射面，用于校正色差， 使得400?830nm全波段均能清晰成像；所述第六透镜组（106)为S胶合透镜，光焦度为 负-正-负；所述第走透镜组（107)和第八透镜组（108)光焦度均为负，所述第走透镜组 (107)和第八透镜组（108)的负光焦度可增大显微物镜（100)工作距离；所述第四透镜组 (104)、第^;：透镜组（107)和第八透镜组（108)均为双胶合透镜。
4. 根据权利要求3所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述第 一透镜组（101)采用H-ZK20材料制成，前表面曲率半径为10. 1018mm，厚度为7. 0050mm， 后表面曲率半径为7. 9507mm，厚度为4. 4683mm ;所述第二透镜组（102)采用H-QK化材料 制成，前表面曲率半径为55. 1761mm，厚度为0. 1998mm，后表面曲率半径为16. 4824mm，厚 度为5. 0000mm ;所述第S透镜组（103)采用D-脚L材料制成，前表面即二元衍射面曲率 半径为无穷大，厚度为0. 1989mm，后表面曲率半径为31. 9629mm，厚度为4. 0000mm ;所述 第四透镜组（104)采用H-LAF62材料和H-QK化材料制成，前表面曲率半径为81. 3780mm， 厚度为18. 6998mm，胶合面曲率半径为-20. 5108mm，厚度为3. 7000mm，后表面曲率半径 为61. 8605mm，厚度为9. 0000mm;所述第五透镜组（105)采用K4A材料制成，前表面曲率 半径为-22. 3502mm，厚度为0. 3872mm，后表面曲率半径为86. 0363mm，厚度为7. 9904mm ; 所述第六透镜组（106)采用H-LAF4材料、H-QK化材料和ZF8材料制成，前表面曲率半径 为-50. 0536mm，厚度为0. 2939mm，第二胶合面曲率半径为-21. 6984mm，厚度为7. 9904mm， 第一胶合面曲率半径为18. 8740mm，厚度为0. 2939mm，后表面曲率半径为374. 5895mm，厚度 为2. 5000mm ;所述第^;：透镜组（107)采用H-QOL材料和BAF4材料制成，前表面曲率半径 为-9. 7646mm，厚度为9. 3359mm，胶合面曲率半径为20. 0454mm，厚度为7. 9246mm，后表面曲 率半径为-5. 5751mm，厚度为3. 0000mm ;所述第八透镜组（108)采用H-LAF6LA材料和H-ZF6 材料制成，前表面曲率半径为5. 5342mm，厚度为3. 1541mm，胶合面曲率半径为-13. 8856mm， 厚度为2. 0000mm，后表面曲率半径为9. 9050mm，厚度为3. 4190mm。
5. 根据权利要求1或2所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述 显微物镜（100)还包括位于第六透镜组（106)前表面之上的孔径光阔（109)，所述孔径光阔 (109)的曲率半径为-50. 0536mm，厚度为0. 2939mm。
6. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述第 九透镜组（201)、第十透镜组（202)、第十一透镜组（204)和第十二透镜组（205)均为双胶 合透镜；所述第九透镜组（201)和第十透镜组（202)的组合焦距为36. 5mm。
7. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述 第九透镜组（201)采用H-LAF62材料和H-QK化材料制成，前表面曲率半径为30. 0530mm， 厚度为3. 7000mm，胶合面曲率半径为11. 7345mm，厚度为6. 0000mm，后表面曲率半径为 54. 3265mm，厚度为0. 9102mm ;所述第十透镜组（202)采用H-LAF62材料和H-QK化材料制 成，前表面曲率半径为14. 4775mm，厚度为3. 7000mm，胶合面曲率半径为10. 6706mm，厚度为 6. 0000mm，后表面曲率半径为-126. 5531mm，厚度为26. 6872mm ;所述视场光阔（203)尺寸为 长 X 宽=3mmX0. 5mm。
8. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述多 光谱分光器件（300)中的六个长波通二向色镜分别为第一二向色镜（301)、第二二向色镜 (302)、第S二向色镜（303)、第四二向色镜（304)、第五二向色镜（305)和第六二向色镜 (306)，所述第一二向色镜（301)与光轴的夹角为44. 02°，分光波段为420?480nm ;所述 第二二向色镜（302)与光轴的夹角为44.41°，分光波段为480?560皿；所述第S二向 色镜（303)与光轴的夹角为44. 80°，分光波段为560?600皿；所述第四二向色镜（304) 与光轴的夹角为45. 20°，分光波段为600?640nm、第五二向色镜（305)与光轴的夹角为 45. 59。，分光波段为640?745nm;所述第六二向色镜（306)与光轴的夹角为45.98°，分 光波段为745?800皿。
9. 根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述 多光谱成像物镜（400)包括第十=镜组（401)、第十四镜组（402)和第十五镜组（403)， 所述第十=镜组（401)、第十四镜组（402)和第十五镜组（403)均为双胶合透镜且均为正 光焦度；所述第十S镜组（401)采用H-TF化材料和H-FK71材料制成，上表面曲率半径为 97. 7468mm，厚度为8. 0000mm，胶合面曲率半径为86. 8020mm，厚度为12. 0000mm，下表面曲 率半径为-244. 0957mm，厚度为48. 3617mm ;第十四镜组（402)采用H-FK71材料和H-TF化材 料制成，上表面曲率半径为908. 4018mm.厚度为8. 0000mm，胶合面曲率半径为-44. 0402mm， 厚度为6. 0000mm，下表面曲率半径为272. 9051mm，厚度为56. 4095mm ;第十五镜组（403)采 用D-ZLAF52LA材料和D-LAK6材料制成，上表面曲率半径为59. 4329mm，厚度为6. 0000mm， 胶合面曲率半径为-65. 6382mm，厚度为8. 0000mm，下表面曲率半径为38. 1601 mm.厚度为 97. 2288mm。
10.根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的显微成像光学系统，其特征在于，所述 TDI相机（500)选用日本滨松的C10000-801型号TDI相机，分辨率为2048 X 128,像元大小 为 12 y mX 12 y m，线速率 0. 45 ?50KHZ。
【文档编号】G01N15/14GK104459975SQ201410835442
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】李 灿, 刘 英, 李淳, 王健, 郭帮辉, 张建忠, 孙强, 赵建 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所