双激光生物芯片分析仪扫描物镜设计

　　近年来生物芯片^[1,2]技术发展迅速,在多个领域展示了很大的应用潜力,成为生物、医学等领域研究工作的有力工具.随着这一技术的不断发展,各种芯片检测方法相继产生.如激光扫描共聚焦荧光测试方法^[1～4]、CCD生物芯片测试方法^[1,2,5]、集成光学生物芯片测试方法^[6]和二元光学生物芯片测试方法^[5,7]等.激光扫描共聚焦荧光显微镜^[8,9]用于生物芯片测试是一种较普遍的方法,系统信噪比(S/N)高,利用机械系统使芯片样品在一个平面内两个相互垂直的方向上运动,实现扫描,由光电倍增管获取各点的荧光信号,输入计算机进行图像重建,得到整个芯片的荧光图像.该系统中被激发的芯片样点总是位于光学系统的光轴上,因而能达到极高的分辨率,拥有非常好的成像质量.该系统的优点是设计加工难度低,镜头成本不高.缺点是通过芯片的直线运动完成扫描过程,对机械精度的要求高,扫描速度慢,工作效率相对较低.

　　扫描也可以通过光学元件的转动实现.利用一个激光线性成像系统^[10],即f-theta物镜作为扫描镜头,通过透镜前光束的旋转(可以由多面镜或振镜等实现),激发光束聚焦在生物芯片上,为了获得最高的荧光激发效率,扫描物镜还必须具有像方远心光路,使各个荧光点的主光线垂直于芯片表面.由于动光式扫描是通过反射镜的旋转实现的,避免了直线驱动,扫描惯量小,因而大大提高了扫描的效率,缩短了芯片的测试时间.本文分析了动光式扫描系统中f-theta物镜的要求,并给出了设计结果和所设计镜头的性能参数,同时利用该镜头进行了芯片测试,给出了测试结果.

　　1　总体要求及设计

　　为提高芯片边缘视场的分辨率和照度均匀性,使整个视场具有相同的激发光强和荧光收集效率,从而具有相互可比性,并且能对各个点精确定位,为此,激光线性成像系统需要校正场曲.为实现双波长激光激发,需要对两个激发波长(532、633nm)及两个荧光中心波长(570、670nm)校正色差,这一点不同于一般的单色激光f-theta物镜.

　　在设计f-theta扫描物镜时,应首先确定系统的外形参数(如焦距f′、F数等),因为系统的像高y与视场角θ(单位:rad)的关系为

　　要确定f′需首先确定像高和视场角.根据待测生物芯片携带信息区域的宽度,f-theta物镜的扫描区域为15 mm左右,设计时留有一定余量,将像方视场取为16.8 mm,即y取8.4 mm.由式(1),在像方视场确定情况下,系统的焦距与视场角成反比.因为焦距的增大会使系统所能承担的数值孔径减小,视场角的增大则会增加相差校正的难度,所以选取系统视场角的焦距需要兼顾上述两个方面.研究表明,当视场角取0.21 rad时,系统焦距约为40 mm,这样既可保证系统有足够的数值孔径,又能使系统的像差比较容易校正.